一种光探测集成传感器的设计方法

技术领域

本发明涉及光电传感器，特别是关于一种光探测集成传感器的设计方法。

背景技术

利用光敏器件进行光电检测将其用于智能控制，被广泛应用在各领域，光敏器有光敏三极管、光敏二极管和光电池，光电池使用简单，使用在较大光强状态，对器件本身的暗电流噪声不作考虑，因此，电路设计简单。

然而在许多情况下，需要弱信号检测，这时光电器件的噪声，暗电流如处理不好，会严重影响信号的检测，这种状态下，电路设计要全面进行系统考虑，如光电器件的暗电流，放大器电路设计噪声、引线分布等等。

专业的电路设计人员需要长时间的技术积累，特别是光电检测电路，现有的设计都是采用积木式设计，这种设计是采用分立的元件进行电路搭配，较难设计出良好的应用电路。

发明内容

本发明的目的是向应用设计工作者提供一种光探测集成传感器的设计方法，它不需要考虑光电元件选择、不需要考虑复杂电路设计、不需要进行调试，只需要接入供电电源及输出引线就能获得高性价比的光信号探测与应用。

为解决上述问题本发明的目的是这样实现的，提供一种光探测集成传感器的设计方法，包括一种壳体，壳体的前面包括一个窗口，壳体的后面包括多个引出脚，光探测集成传感器电路通过高绝缘树脂填充在壳体内，光探测集成传感器电路电源信号、输出信号及控制信号与背部的引出脚导电电连接，光探测集成传感器电路中的光电传感器感光面正对窗口，被测“光”以窗口面成±30°角度摄入“光敏感”部位；光探测集成传感器电路包括直流偏置电路1.1和高性能低漂移直流放大器电路1.2和光敏接收二极管V1，光敏接收二极管V1跨接于直流放大器1.2的反相端“-”IN-与同相端“+”IN+之间,其中光敏接收二极管V1的负极端接IN-,正极端接IN+；在直流放大器1.2反相端与输出端Vo之间跨接滤波电容C1，直流放大器1.2的输出端Vo通过一个短路保护电阻R3连接在壳体的后面的一个引出脚作为输出管脚OUT；输出管脚OUT与直流放大器1.2反相端之间跨接有第一反馈网络，第一反馈网络包括：电阻R2、电阻R4与电容C2，电阻R2和电阻R4串联连接在输出管脚OUT与直流放大器1.2反相端之间，电容C2跨接在电阻R4两端，其中一个连接点与输出管脚OUT电连接。

直流放大器1.2反相端“-”同时分出二路，一路直接与壳体后面的一个引出脚IN-脚2,电连接，另一路通过第二反馈放大电阻R1连接到壳体后面的一个引出脚FB脚4,上；直流放大器1.2的电源正端连接到壳体后面的一个引出脚VCC脚1,上,直流放大器1.2的电源负端连接到壳体后面的一个引出脚Vee脚3,上；直流放大器1.2的电源正端和电源负端同时与内部的直流偏置电路1.1电源正端和电源负端电连接，供给偏置电路相同电压的电源；同时从偏置电路引出壳体后面的第8个引出脚COM端作为信号参考地；所述的第二反馈放大电阻R1接于IN-脚2,与FB脚4,之间，可用于将FB端4脚,与OUT端5脚,连接，并控制内部放大倍数。

所述的直流放大器的第一反馈网络R2的阻值大于20 兆欧姆，R4与C2的时常数应控制在0.5～40微妙之间。

所述的直流偏置电路包括：第一分压电路2.1、第二分压电路2.2、去耦电容2C1和平衡分压电路，第一分压电路2.1输入端接电源Vcc，第二分压电路2.2输出端接电源Vee，第一分压电路2.1和第二分压电路2.2的另一端短路电连接与平衡分压电路输入端电连接，平衡分压电路b通过电阻2R6与直流放大器正端IN+电连接,第一分压电路2.1和第二分压电路2.2之间连接有去耦电容2C1；所述的第一分压电路2.1包括：电阻2R1、电阻2R2、稳压二极管2V1、肖特基二极管2V2, 电阻2R1、稳压二极管2V1、肖特基二极管2V2采用串联连接，稳压二极管2V1、肖特基二极管2V2背靠背连接，肖特基二极管2V2负极与平衡分压电路输入端b电连接，电阻2R2并联在肖特基二极管2V2的两端；所述的第二分压电路2.2包括：电阻2R3、电阻2R4、稳压二极管2V3、肖特基二极管2V4, 电阻2R3、稳压二极管2V3、肖特基二极管2V4采用串联连接，电阻2R3一端与电源端Vee电连接，另一端与稳压二极管2V3一端电连接，稳压二极管2V3和肖特基二极管2V4采用背靠背电连接，肖特基二极管2V4正端与第一分压电路2.1的肖特基二极管2V2负极电连接，电连接点与平衡分压电路输入端b电连接，肖特基二极管2V4两端并接有电阻2R4。

所述的第一分压电路2.1的稳压二极管2V1和肖特基二极管2V2电连接点与第二分压电路2.2的稳压二极管2V3和肖特基二极管2V4电连接点之间串接去耦电容2C1，去耦电容2C1起到消除电源50Hz以上高频噪声之目的。

所述的平衡分压电路由电容2C2、电阻2R5并联构成，电容2C2、电阻2R5并联点后另一端与COM端电连接。

所述的直流放大器1.2包括：高阻抗差分输入级、高倍数复合放大电路和输出级驱动放大器，高阻抗差分输入级包插MOS管3V1、MOS管3V2，恒流管3H1、恒流管3H2、阻抗变换三极管3V4、二极管3D1和三极管3V3；其中MOS管3V1、MOS管3V2的漏极相连并共同连于3H1恒流管的负极c点,恒流管3H1正极连接三极管3V3的发射极；MOS管3V1的源极接于二极管3D1的正极与三极管3V4的基极，MOS管3V2的源极接于起阻抗变换三极管3V4的集电极上,二极管3D1的正极与三极管3V4的基极相连接，二极管3D1的负极通过电阻3R1接于三极管3V5的发射极；三极管3V4的发射极连接于恒流管3H2的正极d点与三极管3V6的基极；恒流管3H2的另一端也连于三极管3V5的发射极。

所述的高倍数复合放大电路包括：三极管3V6、电阻3R2、三极管3V7、硅二极管3D2、硅二极管3D3、恒流管3H3，三极管3V6、电阻3R2、三极管3V7组成复合放大，三极管3V9、三极管3V8组成输出放大器，在三极管3V6和三极管3V7的集电极与二极管3D3的负极、稳压管3D4的负极、电阻3R3共同作用下，驱动放大器的输出级。

所述的输出级3V9的基极连接于3V7的集电极，3V9PNP型三极管,的集电极连于电源负极V-,3V9三极管的发射极连于3V8NPN型三极管,的发射极，完成信号阻抗匹配与功率放大之输出Vo。

所述的硅二极管3D2与硅二极管3D3串联接于三极管3V7的集电极与三极管3V9的基极上，提供给输出级的基极回路约1.4V的直流偏置压差，用于消除输出级三极管3V9、三极管3V8输出放大器的交越失真；恒流管3H3电路的e端负极连接于二极管3D2的正极并为三极管3V8、三极管3V9提供直流偏置，恒流管3H3电路的另一端连接于电源正端V+上。

所述的放大器输入级电源保护三极管3V3的基极集电极,连接于电源的正端V+上、3V5的基极集电极,连接于电源的负端V-上。

本发明的优点是：本发明将“光敏二极管V1,高性能低漂移宽温放大器U1,直流偏置及电阻电容等集成于一体。这种结构是以厚膜技术在微小的PCB板上设计的集成电路。包含有光敏接收二极管、精密金属薄膜电阻、高性能跨阻宽温直流放大器等核心电路。因其核心技术可消除离散设计中经常遇到的漏电流误差、噪声、杂散电容及增益峰值等问题。在环境温度从-55℃～+125℃范围内，“可见光”检测具有极佳的线性度、暗电流输出及光信号检测信号从0V到Vcc的满幅电压输出。

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图 1是光探测集成传感器组成电路；

图2是直流偏置电路；

图3是高性能宽温直流放大器等效电路；

图4是器件封装外形图；

图5是底面引出脚排列信息图。

图中：1、壳体；2、感光窗口；3、引出脚。

具体实施方式

为进一步阐述发明达成预定目的所采取的技术手段，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

如图1所示，本发明涉及一种光探测集成传感器的设计方法，包括一种壳体1，壳体1的前面包括一个感光窗口2，壳体1的后面包括多个引出脚3，光探测集成传感器电路通过高绝缘树脂填充在壳体1内，光探测集成传感器电路电源信号、输出信号及控制信号与背部的引出脚3导电电连接，光探测集成传感器电路中的光电传感器感光面正对窗口，被测“光”以窗口面成±30°角度摄入“光敏感”部位。

所述的光探测集成传感器电路包括直流偏置电路1.1和高性能低漂移直流放大器电路1.2和光敏接收二极管V1，光敏接收二极管V1跨接于直流放大器1.2的反相端“-”IN-与同相端“+”IN+之间,其中光敏接收二极管V1的负极端接IN-,正极端接IN+；在直流放大器1.2反相端与输出端Vo之间跨接滤波电容C1，直流放大器1.2的输出端Vo通过一个短路保护电阻R3连接在壳体1的后面的一个引出脚3作为输出管脚OUT；输出管脚OUT与直流放大器1.2反相端之间跨接有第一反馈网络，第一反馈网络包括：电阻R2、电阻R4与电容C2，电阻R2和电阻R4串联连接在输出管脚OUT与直流放大器1.2反相端之间，电容C2跨接在电阻R4两端，其中一个连接点与输出管脚OUT电连接，反馈网络起到开路保护、低频补偿等作用。

所述的直流放大器1.2反相端“-”同时分出二路，一路直接与壳体1后面的一个引出脚3IN-脚2电连接，另一路通过第二反馈放大电阻R1连接到壳体1后面的一个引出脚3FB脚4上。

所述的直流放大器1.2的电源正端连接到壳体1后面的一个引出脚3VCC脚1上,直流放大器1.2的电源负端连接到壳体1后面的一个引出脚3Vee脚3上；直流放大器1.2的电源正端和电源负端同时与内部的直流偏置电路1.1电源正端和电源负端电连接，供给偏置电路相同电压的电源；同时从偏置电路引出壳体1后面的第8个引出脚3COM端作为信号参考地。

所述的直流放大器的第一反馈网络R2的阻值大于20 兆欧姆，R4与C2的时常数应控制在0.5～40微妙之间。

所述的第二反馈放大电阻R1接于IN-脚2,与FB脚4,之间，可用于将FB端4脚与OUT端5脚连接，并控制内部放大倍数。

所述的直流偏置电路1.1为了解决光敏接收二极管V1在光照输入为零无光照时，在环境温度-55℃～+125℃范围内，低漂移直流放大器1.2输出为零的问题。

直流偏置电路如图2所示，包括：第一分压电路2.1、第二分压电路2.2、去耦电容2C1和平衡分压电路，第一分压电路2.1输入端接电源Vcc，第二分压电路2.2输出端接电源Vee，第一分压电路2.1和第二分压电路2.2的另一端短路电连接与平衡分压电路输入端电连接，平衡分压电路b通过电阻2R6与直流放大器正端IN+电连接,第一分压电路2.1和第二分压电路2.2之间连接有去耦电容2C1。

所述的第一分压电路2.1包括：电阻2R1、电阻2R2、稳压二极管2V1、肖特基二极管2V2, 电阻2R1、稳压二极管2V1、肖特基二极管2V2采用串联连接，稳压二极管2V1、肖特基二极管2V2背靠背连接，肖特基二极管2V2负极与平衡分压电路输入端b电连接，电阻2R2并联在肖特基二极管2V2的两端。

所述的第二分压电路2.2包括：电阻2R3、电阻2R4、稳压二极管2V3、肖特基二极管2V4, 电阻2R3、稳压二极管2V3、肖特基二极管2V4采用串联连接，电阻2R3一端与电源端Vee电连接，另一端与稳压二极管2V3一端电连接，稳压二极管2V3和肖特基二极管2V4采用背靠背电连接，肖特基二极管2V4正端与第一分压电路2.1的肖特基二极管2V2负极电连接，电连接点与平衡分压电路输入端b电连接，肖特基二极管2V4两端并接有电阻2R4。

所述的第一分压电路2.1的稳压二极管2V1和肖特基二极管2V2电连接点与第二分压电路2.2的稳压二极管2V3和肖特基二极管2V4电连接点之间串接去耦电容2C1，去耦电容2C1起到消除电源50Hz以上高频噪声之目的。

所述的平衡分压电路由电容2C2、电阻2R5并联构成，电容2C2、电阻2R5并联点后另一端与COM端电连接。

所述的第一分压电路2.1、第二分压电路2.2在正偏置或负偏置作用下，在平衡分压电路与COM端形成平衡，并由电阻2R6 “a”点接于直流放大器正端IN+。通过调节图2中的元件参数可在图1的“a”点得到-10mV～+10mV之间的自适应调零电压。

所述图2的COM端与上述所说的壳体1后面的第8个引出脚3电连接。

所述的直流放大器1.2内部电路如图3所示，包括：高阻抗差分输入级、高倍数复合放大电路和输出级驱动放大器，高阻抗差分输入级包插MOS管3V1、MOS管3V2，恒流管3H1、恒流管3H2、阻抗变换三极管3V4、二极管3D1和三极管3V3；其中MOS管3V1、MOS管3V2的漏极相连并共同连于3H1恒流管的负极c点,恒流管3H1正极连接三极管3V3的发射极；MOS管3V1的源极接于二极管3D1的正极与三极管3V4的基极，MOS管3V2的源极接于起阻抗变换三极管3V4的集电极上,二极管3D1的正极与三极管3V4的基极相连接，二极管3D1的负极通过电阻3R1接于三极管3V5的发射极；三极管3V4的发射极连接于恒流管3H2的正极d点与三极管3V6的基极；恒流管3H2的另一端也连于三极管3V5的发射极。

高倍数复合放大电路包括：三极管3V6、电阻3R2、三极管3V7、硅二极管3D2、硅二极管3D3、恒流管3H3，三极管3V6、电阻3R2、三极管3V7组成复合放大，三极管3V9、三极管3V8组成输出放大器，在三极管3V6和三极管3V7的集电极与二极管3D3的负极、稳压管3D4的负极、电阻3R3共同作用下，驱动放大器的输出级。

输出级3V9的基极连接于3V7的集电极，3V9PNP型三极管的集电极连于电源负极V-,3V9三极管的发射极连于3V8NPN型三极管的发射极，完成信号阻抗匹配与功率放大之输出Vo。

硅二极管3D2与硅二极管3D3串联接于三极管3V7的集电极与三极管3V9的基极上，提供给输出级的基极回路约1.4V的直流偏置压差，用于消除输出级三极管3V9、三极管3V8输出放大器的交越失真；恒流管3H3电路的e端负极连接于二极管3D2的正极并为三极管3V8、三极管3V9提供直流偏置，恒流管3H3电路的另一端连接于电源正端V+上。

放大器输入级电源保护三极管3V3的基极集电极连接于电源的正端V+上、3V5的基极集电极连接于电源的负端V-上。

所述的直流放大器1.2是一个高性能宽温放大器，能对弱光信号具有高线性度和快速脉冲响应能力，电压摆率高达 2000V/S，建立时间在 100 ns 至 0.1%，供电范围±2.25V～±18V,环境温度范围为-55℃～+125℃,，具有高输出驱动能力。

如图4和图5所示，所述的壳体1采用标准的T0-99封装结构，外壳顶面带有感光接收入口，并为金属壳体1，有8个镀金引脚，其中图4是外型结构，图5是引脚排列信息。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。