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AN-1194 四象限光电二极管用于高精度位移测量系统的应用案例
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AN-1194 四象限光电二极管用于高精度位移测量系统的应用案例
四象限光电二极管是光学跟踪和位移测量系统中的关键部件。典型应用包括光学数据存储设备中拾取激光的光束居中，激光镊（光阱）系统中的珠位测量与阱刚度标定、扫描探针显微镜中的悬臂位移测量，以及各种长距离激光跟踪的应用，如航天和卫星光通信，以及针对土木工程和采矿业校准的应用。此外，由于其简单、可靠的设计和高灵敏度，四象限光电二极管是二维光束对中和位移测量最常用的位置敏感器件。不过，四象限光电二极管的电路，例如模拟信号处理链后面的电路限制了整个传感系统的特性。因此，要特别注意配套电路的设计。通常情况下，基于四象限光电二极管的位移测量系统都用于户外（如土木工程和采矿业），其中的测量系统必须是电池供电的。考虑到这种测量系统的广泛应用，需要不断降低电源电压和功耗，因此必须密切关注电路设计。
在本应用笔记中，我们将提出一个针对高精度位移测量、基于SILEGO SLG88104V轨至轨I/O 375 nA四运放的低电压、超低功耗、低噪声四象限光电二极管电路设计。
用四象限光电二极管测量位置测量系统的具体要求往往取决于：精度、准确性、线性度、动态范围和频率带宽。在进行测量的位置和四象限光电物体之间，使用由一个光源组成的光学系统（通常使用激光或LED），通常是非常简单的无源光学组件来完成这些指定要求。这种特殊而简单的光学系统起到确定物体位置和光点在四象限光电二极管敏感表面的位置的作用。象限光电二极管表面的光斑辐照度分布主要取决于所用光源，也取决于目标光学耦合系统的特性。无论四象限光二极管表面的光点辐射分布如何，大多数关于四象限光电二极管中心的光点位置评估算法都是基于光点重心的位置计算。这样的算法实现了高灵敏度、高速度、高分辨率的位置测量。每个四象限光电二极管都由沉积在一个芯片上的四个匹配的光电二极管组成，如图1所示。
图1. 在一个芯片上沉积四个匹配光电二极管的四象限光电二图2. 四象限光电二极管（QPD）由四个光电二极管（PD1、
PD2、PD3和PD4）组成，以在其表面形成光点（LS）的极管的照片
方式照明
https://ibb.co/fToVow
根据四象限光电二极管表面的光点位置和形状，每个光电二极管都将产生电流，其线性依赖于捕获的光功率量。因此，如果光点对称于两个轴，且集中在四象限光电二极管中心，所有四个光电二极管的电流都是一样的。如果光点中心从四象限光电二极管中心移动，电流会有所不同。
为了确定光点中心四对于象限光电二极管中心的位置，光电二极管电流必须以这样一种方式处理，即在电路输出，我们有与沿两个轴的光点位移成正比的电压信号。此外，由于四象限光电二极管捕获的整体光功率可能不同，其输出电路必须提供与光总功率有关的电压信号。这个信号用作归一化信号。为了满足所有这些要求，相应的电路可以基于SILEGO SLG88104V轨至轨I/O 375 nA四运算放大器成功制作。
通过处理来自四象限光电二极管的电流信号来直接测量相对于四象限光电二极管中心的光点中心位置是不可能的。不过，通过测量这些电流信号，就可以通过光强分布参数的比例估计四象限光电二极管表面的光点位置。为了确定这些关系，关键是要知道四象限光电二极管表面的辐照度分布。由于光点中心位置和光电二极管产生的电流之间复杂的数学关系，是不可能精确测量这些比例的。通常在象限光电二极管表面运动的光点都很小。因此，光点中心位置与以下方式的光电二极管电流成正比：
(1) SHAPE \* MERGEFORMAT (2) https://ibb.co/d6qRTw其中 x 和 y 分别是沿 X 轴和 Y 轴的光点中心位置，而 ij是通过四象限光电二极管j-th象限获得的电流，其中 j = 1,2,3,4，如图2所示。为了消除在测量过程中可能出现的光源发射功率变化的影响，必须有归一化的整体捕获光功率，即电流差信号 ((i1+i4) - (i2+i3)) 和 ((i1+i2) - (i3+i4)) 必须除以与所有四个光电二极管电流之和
(i1+i2+i3+i4)成正比的相应信号。.
四象限光电二极管电路为了实现光点位置的测量，即对应目标的位置，四象限光电二极管后面的电路必须提供电流差信号以及与所有光电二极管电流总和成正比的信号。满足这样条件的典型电路至少包括七个运算放大器。大量的运算放大器会增加整体功耗，同时恶化整个信号处理链的特性。为了提供低电压、超低功耗、低噪声四象限光电二极管电路，只使用三个运算放大器处理光电二极管电流的模拟信号，而第四个运算放大器只用于偏置目的。这种相对简单的电路如图3所示。从图3中你可以注意到，所有需要的算法都是采用相同值RL组成的电阻网络来实现的。通过利用四象限光电二极管，阳极电流等于四个光电二极管电流的总和，进入三个跨阻放大器的电流 iX, iY和 iΣ通过下式给出：
图3. 建议的象限光电二极管电路
跨阻放大器将电流信号转换成相应的电压信号 vX, vY和 vΣ通过下式给出：
(3)https://ibb.co/imL71G
其中 RF是回馈电阻器电阻和跨阻放大器增益。
值得一提的是，这两个电阻 RL的用途是连接在光电二极管 PD1的阴极之间，而地是对称的，即所有四个光电二极管都必须连接到相同电阻，以匹配其频率响应。
四象限光电二极管偏置电路运算放大器具有双电源，即由两个电压源 VDD (VDD> 0) 和 VSS (VSS< 0).进行偏置。为了使四象限光电二极管进入光感模式，电压源VSS通过连接到四象限光电二极管共阳极的 RL提供负偏置。不过，这种负偏置增加了跨阻放大器输出的 DC 电压，即使四象限二极管没有被光照，也由此引入了测量误差。因此，引入两个恒定电压 VB 和 VL来弥补四象限光电二极管负偏置的影响，并消除测量误差。忽略运算放大器的失调电压，以及四象限光电二极管的输入电流和漏电流，当四象限光电二极管没有被照亮时，所有三个跨阻放大器的输出都必须等于零。如果满足了以下两个条件，这些条件就满足了：
https://ibb.co/d5YMTw (4)提供这两个恒电压的辅助电路显示在图3底部。为了能够简单地将这两个电压设置在所需级别，而不使用电位器，可以简单地选择 RF=RL=R ，得出以下等式：VB=-VSS/2、 VL=VSS/8、 RB1/RB2=2 和 RL1/RL2=7。需要指出的是，如果电路是用电池供电的，电池电压的下降将不会影响所有三个跨阻放大器输出的电压水平，与电池电压降无关。
四象限光电二极管电路的小信号分析当四象限光电二极管暴露在光的照射下时，来自光电二极管的光电流会流入电路，从而提供关于光点位置的信息。相应的电压信号由方程（3）给出。不过，这些电流可以影响四象限光电二极管的两级的电压。光电二极管的两级电压通过下式给出：
(5) https://ibb.co/ix9BTw为了保持四象限光电二极管处在感光模式，需要保证施加在四个光电二极管的电压都是反向电压。考虑到位置测量的高度线性要求，必须满足 i1≈i2≈i3≈i4≈I/4，其中I=i1+i2+i3+i4，四象限光电二极管感光模式的条件通过下式给出：
(6) https://ibb.co/nHed8w其中 RF=RL=R，并假设VB=-VSS/2。这个条件限制了照射到四象限光电二极管光源的最大光功率，得以保持整个四象限光电二极管电流在不等式定义的最大值以下（6）。
四象限光电二极管电路的噪声分析由于使用了大量组件，图3所示的四象限光电二极管电路中有大量噪声源，这使得噪声分析相当复杂和耗费时间。不过，如果我们让RF=RL=R，跨阻放大器输出的电压噪声信号的功率谱密度<vXn2>和<vYn2>得到了更简单的形式：
(7) https://ibb.co/k9nLMG (8) https://ibb.co/gikqMG
