实现IR接近检测的高速运算放大器

2009年11月04日 16:11    李宽
关键词: 放大器 , 检测 , 运算
作者:Arpit Mehta    来源:Maxim公司    日期:2009-10-31

  IR(红外)接近传感器可以检测一个物体的存在,物体与一个基准的距离,或两者均可检测。其应用包括速度探测、自动水龙头的人手探测、传送带上物体的自动计数或检查,以及打印机的纸边缘检测等。例如,最新一代的智能手机可以在屏幕接触到脸颊或耳朵时,关闭LCD触摸屏,防止对某些键的误操作。

  在检测物体时,接近传感器会向物体发射IR脉冲,然后“聆听”反射回来的任何脉冲。一只IR LED负责发射IR信号,而一只IR光电探测管则负责探测反射信号。反射信号的强度与物体距离IR收发器的距离成反比。当物体距离较近时,反射的IR信号较强,因此可以校准光电二极管探测器的输出,确定一个物体的精确触发距离。触发距离是用于确定一个物体是否存在的阈值。

  光电二极管探测到的不仅有物体反射IR,也包括来自环境中的IR。必须将这种IR噪声过滤掉,以防止虚假探测。一般的方法是用一个合适的频率去调制LED的IR信号,然后只探测有调制的IR信号,认为它才是物体反射回来的信号。

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图1,IR接近传感器通过接收反射光,探测一个物体。

  本设计实例描述了一种采用简单发射与接收的IR接近传感器(图1)。发射器包括一只Everlight的940 nm IR11-21C IR LED,它以10 kHz振荡频率作开和关。通过改变LED的电流,就可以控制发射功率等级,因此控制了探测范围。为节省功耗,发射脉冲的典型占空比只有10%。

  Everlight PD15-22C光电二极管探测到的IR信号经接收电路作解调与放大;光电二极管的峰值灵敏度出现在940 nm。光电二极管的输出交流耦合到运算放大器的非反相输入端。这种耦合允许10 kHz信号通过,但耦合电容设定了一个300 Hz的截止频率,以阻止直流噪声以及背景IR到达放大器。

  运算放大器具有低噪声、高带宽和轨至轨I/O能力,因此是本电路中解调与放大的很好选择。另外,它的RF抑制能力可防止GSM手机中经常出现的烦人的217 Hz嘟嘟声。对于IR接收器,运算放大器是作为一个增益为100的二阶带通滤波器,中心频率为10 kHz。因此,运算放大器对进入的IR信号作放大,并作为一个带通滤波器作解调。

  当没有输入IR信号时,运算放大器偏置在2.5V。当有一个10 kHz IR信号进入时,运算放大器的输出围绕2.5V变化,动态范围为5V。运放输出驱动一个简单的二极管检波器,它对10 kHz信号作整流,产生一个与其振幅成正比的直流信号。这种模拟输出信号与物体到IR发射器的距离成正比。可以直接使用它,或将其送入一个ADC作进一步处理。

  图2给出了物体距离IR发射器1.2英寸和1.4英寸的三结点电路工作情况。图2中圈出的号码对应于图3中的示波器波形。

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图2,IR收发器探测一个物体的存在,并提供物体距收发器的距离。


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图3,不同距离提供了不同幅度的接收波形。
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