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介绍

象限光电二极管是光学跟踪和位移测量系统中的关键组件。典型应用包括光学亚博国际官网平台网址数据存储设备中拾取激光的光束定心，激光镊子（光学捕获）系统中的珠子位置测量和陷阱刚度校准，扫描探头显微镜中的悬臂位移测量，以及各种长距离的激光跟踪亚博国际官网平台网址自由空间和卫星光学通信等应用以及土木工程和采矿业的对齐应用。此外，由于其简单且稳健的设计和高灵敏度，象限光电二极管是用于二维光束定心和位移测量的最常用的位置敏感探测器之一。然而，电路，即遵循每个象限光电二极管的模拟信号处理链限制了整个传感系统的特性。因此，应特别注意伴随电路的设计。亚博全网通常，基于象限的光电二极管的位移测量系统在室外使用（例如土木工程和采矿业），其中测量系统必须是电池供电。请记住，这种测量系统通常广泛使用，恒定需要降低电源的电压以及功耗，因此必须密切关注电路设计。

在这个应用程序说明中，我们将介绍一个低电压，超低功耗，低噪声的象限光电二极管电路设计，用于高精度位移测量，基于SLG88104V[5]轨到轨I/O 375 nA四OpAmp。

用象限光电二极管进行位置测量

测量系统的具体要求通常取决于:精度、准确度、线性度、动态范围和频率带宽。在被测物体和象限光电二极管之间，使用一个由光源(通常使用激光或LED)和通常非常简单的无源光学元件组成的光学系统来满足这些指定的要求。这个具体而简单的光学系统对确定物体的位置和光斑在象限光电二极管的敏感表面上的位置起作用。象限光电二极管表面的光斑辐照度分布主要取决于所使用的光源，也取决于物体耦合光学装置。无论光斑在象限光电二极管表面上的辐照度分布如何，大部分光斑相对于象限光电二极管中心的位置评估算法都是基于光斑重心的位置测量。该算法实现了高灵敏度、高速度、高分辨率的位置测量。如图1所示，每个象限光电二极管由放置在单个芯片上的四个匹配的光电二极管组成。

根据象限光电二极管表面上的光点位置和形状，每个光电二极管将产生线性地取决于捕获光功率的量的电流。因此，如果光点对两个轴对称并且以象限光电二极管中心为中心，则所有四个光电二极管的电流都是相同的。如果光点中心从象限光电二极管中心移位，则电流会有所不同。

为了确定光斑中心相对于象限光电二极管的中心的位置，光电二极管电流必须以这样一种方式处理，即在电路输出我们有沿两轴与光斑位移成正比的电压信号。此外，由于象限光电二极管捕获的总光功率可能变化，其输出端的电路必须提供携带总光功率信息的电压信号。这个信号作为归一化信号。为了满足这些要求，基于SLG88104V轨到轨I/O 375 nA四腔OpAmp运算放大器成功地制作了相应的电路。

通过处理来自象限光电二极管的电流信号，直接测量光点中心相对于象限光电二极管中心的位置是不可能的。然而，通过测量这些电流信号，只能估计光斑位置的比值和在象限光电二极管表面的辐照度分布参数。为了确定这些关系，必须知道象限光电二极管表面上的辐照度分布。由于光斑中心位置和光电二极管产生的电流之间存在复杂的数学关系，因此不可能精确地测量这些比率。通常，光斑在象限光电二极管表面上的移动很小。因此，光斑中心位置与光电二极管电流成如下比例:

在哪里x和y光斑中心沿X轴和Y轴的位置分别是和吗我_j象限光电二极管是否获得电流jth象限,j= 1,2,3,4，如图2所示。为了消除光源发射功率可能变化对测量过程的影响，必须与捕获的总光功率进行归一化，即当前差分信号((我₁+我₄)——(我₂+我_3.）和(我₁+我₂)——(我_3.+我₄）)必须除以与所有四个光电二极管电流之和(我₁+我₂+我_3.+我₄）．

象限光电二极管电路

为了能够测量光斑位置，即相应物体的位置，跟随象限光电二极管的电路必须提供电流差信号以及与所有光电二极管电流之和成比例的信号。满足这种条件的典型电路由至少七个运算放大器组成。大量的运算放大器会增加整体的功耗，同时也会恶化整个信号处理链的特性。为了提供低电压、超低功耗、低噪声的象限光电二极管电路，光电二极管电流的模拟信号处理只能使用3个运算放大器，而第4个运算放大器只能用于偏置。这个相对简单的电路如图所示。从图中可以看出，所有需要的运算都是通过使用由相同值的电阻组成的电阻网络来完成的R_l．利用四象限光电二极管阳极电流等于所有四个单独光电二极管电流的总和的优势，这些电流进入三个跨阻放大器我_X，我_Y和我_Σ是由:

跨阻放大器将电流信号转换成相应的电压信号v_X，v_Y和v_Σ由:

在哪里R_F为反馈电阻电阻和跨阻放大器增益。

值得一提的是，这两个电阻器的用途R_l连接在光电二极管PD的阴极之间₁接地是对称的，即所有四个光电二极管必须连接到相同的电阻，以匹配它们的频率响应。

偏置象限光电二极管电路

运算放大器有双电源，即由两个电压源产生偏置V_DD（V_DD> 0)和V_党卫军（V_党卫军< 0).为了提供象限光电二极管的光导模式，电压源V_党卫军电阻器是否连接到共阳极R_l使象限光电二极管反极化。然而，这种反极化增加了跨阻放大器输出的直流电压，即使象限二极管没有照明，从而引入了测量误差。因此，两个电压不变V_B和V_l用于补偿象限光电二极管反极化的影响，消除测量误差。忽略运算放大器的偏置电压和输入电流以及象限光电二极管的暗电流，当象限光电二极管不亮时，所有三个跨阻放大器的输出必须等于零。满足以下两个条件即满足上述条件:

提供这两种恒定电压的辅助电路如图所示。为了能够简单地将这两个电压设置在所需的水平，而不使用电位器，人们可以简单地选择R_F＝R_l＝R其中:V_B= -V_党卫军/ 2,V_l＝V_党卫军/ 8,R_B1/R_B2= 2,R_L1/R_L2= 7。需要指出的是，如果电路是由电池供电的，无论电压降如何，电池电压的下降都不会影响所有三个跨阻放大器输出的电压水平。

象限光电二极管电路的小信号分析

当象限光电二极管暴露在光学照明下时，光电二极管发出的光电流将冲进电路，从而提供有关光斑位置的信息。相应的电压信号由式(3)给出。然而，这些电流会影响象限光电二极管的偏振。光电二极管的反极化电压为:

为了使四象限光电二极管保持在光导模式，四个光电二极管对应的反极化电压必须为正。记住，对于高线性度的位置测量，我₁≈我₂≈我_3.≈我₄≈I / 4.必须满足的，在哪里我＝我₁+我₂+我_3.+我₄，象限光电二极管光导模式的条件为:

在哪里R_F＝R_l＝R和V_B= -V_党卫军假定/ 2。这个条件限制了照亮象限光电二极管的光源的最大光功率，使整个象限光电二极管电流低于由不等式(6)定义的最大值。

四象限光电二极管电路噪声分析

图中所示的象限光电二极管电路由于元器件数量较多，存在大量的噪声源，使得噪声分析相当复杂和耗时。然而，如果我们R_F＝R_l＝R，则电压噪声信号的功率谱密度= =v²_Xn⟩和⟨v²_Yn在跨阻抗放大器输出时，⟩得到以下给出的更简单形式:

在⟨我²_n⟩和⟨e²_n分别为操作放大器输入电流和电压噪声的功率谱密度，问= 1.6×10^-19年C是基本的正电荷，我为整个象限光电二极管电流，k= 1.38×10^-23年J/K是玻尔兹曼常数T为电路的绝对温度。第三跨阻放大器输出电压噪声信号的功率谱密度，其中电压信号v_Σ，呈现与每个光电二极管电流的总和的成比例，因为该信号远高于其他两个，这与电流差异成比例，因此对由噪声引起的干扰敏感得多。最后，信噪比比率信噪比_X和信噪比_Y在跨阻放大器输出为:

在哪里B是感兴趣的带宽。

象限光电二极管电路的频率响应

通常，光电二极管可以在光导模式下作为电流源进行建模，电流源与光电二极管寄生电容并联。为了消除高频下的串扰和测量误差，在电阻值上有一些限制。

如果光电二极管的阻抗远高于连接到光电二极管的阻抗，串扰和测量误差将可以忽略不计。因此，必须满足以下条件:

在哪里ω角频率是和吗C_PD.为四个光电二极管各的电容。记住B为感兴趣的带宽，则电路电阻的最大值为:

用SLG88104V轨对轨I/O 375 nA四元运算放大器实现

该象限光电二极管模拟信号处理电路的实现将基于SLG88104V轨到轨375na四腔OpAmp运算放大器的独特特性。使用这些运算放大器将使我们能够设计低电压、超低功率、低噪声的电路，在其输出将提供与二维位移成比例的信号。由于传感器的高灵敏度和低噪声设计，这些信号将提供非常精确的信息，位移达到纳米领域。

整个电路的目的是测量感兴趣的物体的物理位置。一般来说，机械运动的频率范围低于1千赫(B其中，光电二极管寄生电容的典型值为10 pF (C_PD.≈10 pF)。根据不等式(10)，电阻器的电阻必须满足R<< 21mΩ。如果我们选择R=1MΩ则串扰小于1.6%，显著低于5%的象限光电二极管的典型象限间串扰。不等式(6)限制了象限光电二极管的最大总电流。如果我们拿一个简单的电池供电V_党卫军=-1.5V，则根据不等式(6)可知，光电二极管的最大电流之和必须小于1μA (I<1μA)。由式(3)可知，跨阻放大器输出电压信号与光电二极管电流和成正比的最大幅值必须小于250 mV。在为象限光电二极管照明选择合适的光源及其光功率时，应考虑这一数据。

为了在实际实验验证之前测试电路特性，在LT Spice XVII软件包中进行了基于SLG88104V轨到轨I/O 375 nA四元OpAmp运算放大器Spice模型的仿真。电路模型如图所示。除了电阻器的值R=1mΩ.时，选择了下列分量值:V_DD= 1.5 v，V_党卫军= -1.5 v，R_B1= 2 mΩ，R_B2=1mΩ.,C_B2= 220 nf(选择此电容值是为了使拐角频率保持在1Hz以下)。

提供直流电压的辅助电路(简单的分压器)V_l实现为简单的R-2R分压器，因为电压V_l8 = 2^3.小于电源电压的1 / 3V_党卫军．为了抑制噪声信号，用相同的电容值C_16种= 220 nf已用于第一辅助电路。我们可以注意到，整个电路可以通过使用具有相同电阻值的电阻器来安排。

跨阻放大器反馈电阻具有典型的0.2pF范围内的寄生电容，这会影响放大器的特性。因此，每个反馈电阻器都有与此值并联的电容。

最后，将每个光电二极管并联为电流源，并联电容为10pF，代表光电二极管寄生电容的典型值。

假设象限光电二极管的脉冲照明，即光电二极管电流被建模为脉冲电流源的仿真结果如图5所示。仿真结果给出了(a)光斑中心位于象限光电二极管的第一象限和(b)光斑中心位于第二象限电路的瞬态响应。

为了找到完整电路的频率响应，对代表相应光电二极管的每个电流源和跨阻放大器的每个输出分别进行交流分析。表1为仿真结果，表中的数字表示相应的带宽。可以注意到，每个带宽明显大于捕捉快速机械运动所需的典型1khz带宽。

	VX	v	VS
IPD1.	6.7千赫	6.7千赫	6.8千赫
IPD2.	2.8千赫	3.2千赫	5.3千赫
IPD3.	4.8千赫	4.7千赫	4.5千赫
IPD4.	3.2千赫	2.8千赫	5.3千赫

考虑到感兴趣的带宽B根据式(7)所给出的跨阻输出电压信号的功率谱密度≈1 kHz，可得σ噪声底限约为15 μV。

最后，根据仿真结果，当象限光电二极管没有照明时，整个电路的总功耗为约9μW。请记住，如果象限光电二极管被照明，总象限光电二极管电流小于1μA的光电二极管电流小于1μA，因此如果象限光电二极管被照明，则功耗不会显着更大。

示例实现

基于提供的SLG88104V轨到轨I/O 375 nA四象限OpAmp和四象限PIN光电二极管(QDY80P)，有效面积为80毫米²和单价约100美元的测试电路已经建成。实现的电路板原型图如图6所示。

为了测试电路特性，利用一个小辐射角的红外LED对象限光电二极管进行脉冲照射。我们必须特别注意LED的驱动电流，因为LED发出的光功率必须在几μW范围内。

(a) 1号通道(黄色)-v Σ通道2(蓝色)-v X．	b)通道1(黄色)-v Σ通道2(蓝色)-v X
(c) 1号通道(黄色)-v Σ通道2(蓝色)-v Y	(d) 1号通道(黄色)-v Σ通道2(蓝色)-v Y．
(e) 1号通道(黄色)-v X通道2(蓝色)-v Y	(f) 1号通道(黄色)-v X通道2(蓝色)-v Y．

这种低功率将使象限光电二极管保持在光导模式，从而提供整个电路的高线性度。根据光斑在象限光电二极管有源表面上的位置，我们进行了几次跨阻输出电压信号的测量。这些测量数据由数字存储示波器捕获，如图7所示。

图(a)、(c)和(e)表示电压信号v_Σ和v_X，v_Σ和v_Y,v_X和v_Y，当光斑中心位于第一象限时。图(b)、(d)和(f)表示电压信号v_Σ和v_X，v_Σ和v_Y,v_X和v_Y，当光斑中心位于第三象限时。

结论

基于四象限光电二极管及其电路的高精度位移测量在许多应用领域有着非常广泛的应用。通过引入一种易于电池供电的低电压、超低功耗测量系统，可以使其应用领域更加广泛。该电路具有非常独特的设计，可以用不同类型的象限光电二极管测试，证明了电路设计的概念。此外，该测试结果可用于改进设计，以达到更高的精度和更宽的带宽。