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四、光电耦合双向可控硅 　　　　 　　　　　 典型的光耦合SCR　　典型的光耦合双向可控硅 图（1）：控制小功率灯泡的电路；图（2）：控制大功率负载的电路。 图（1） 图（2） 　　是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。具有分辨率高，可靠性好，抗干扰能力强，应用范围广等优点。可分为增量式编码器和绝对式编码器。 　 增量式编码器的原理是光栅的莫尔条纹。形成莫尔条纹必须由两块栅距相等的光栅组成. 一、增量式编码器 1．原理 §3.3.2 光电编码器 　　是一种对入射光点位置敏感的光电器件。通过对输出电信号的处理，即可确定入射光点在PSD的位置。入射光点的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关。PSD的输出信号只与入射光点的“重心”位置有关。 §3.2.1 位置传感器（PSD） 　　PSD可分为一维PSD和二维PSD，可分别测定光点的一维位置坐标、平面位置坐标。 一．一维PSD 实用的一维PSD为PIN三层结构，上面为P层，下面为N层，中间为I层，它们全被制作在同一硅片上。表面P层不仅是光敏面，而且还是一个均匀的电阻层，其两边各有一个信号输出电极。底层的公共电极是用来加反向偏压的。 工作原理：当入射光照到PSD光敏面上某一点时，在入射位置产生了与光能成比例的电荷，此电荷作为光电流通过电阻层由电极输出。假设产生的总的光生电流为I0，信号电极上的光电流分别为I1和I2,（假设负载电阻RL相对于R1、R2可以忽略）,则： I0=I1+I2 I2 I1 R2 R1 L - x L +x = = 式中L为PSD中点到信号电极的距离，x为入射光点距PSD中点的距离 联立上两个方程式可以求得： I1=I0 L - x 2L I2=I0 L+x 2L 可见：当入射光点位置不变时，PSD的单个电极输出电流与入射光强度成正比。而当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光点距PSD中心的距离x成线性关系。 得到： Px= = I1-I2 I1+I2 L x Px只与光点的位置坐标有关，而与入射光的强度无关，此时PSD就成为仅对入射光点敏感的器件。Px称为一维PSD的位置输出信号。 2．二维PSD 　 二维二维PSD有单面型和双面型两种形式。 图示为单面型，受光面上有两对电极，A、B为x轴电极，E为背面衬底共用电极，用它可对正面各电极进行反偏置。设IA~ID为电极A～D的光电流，则光点能量中心的位置坐标为: 　　CCD（Charge-Coupled-Devices）具有结构简单，集成度高，制造工序少，功耗低，信噪比好等优点。CCD有线阵和面阵二种，由MOS光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。 　　CCD可把光信息转换成电脉冲信号，而且每个脉冲反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度反映光强，脉冲顺序反映光敏元的位置，这样就起到了图像传感的作用。 §3.2.2 电荷耦合器件 以P型衬底为例,加正电压时,空穴被排斥，形成一“耗尽区”（俗称“表面势阱”，其深度近似与电压成正比），电子被吸引耗尽区。光照时，半导体硅产生电子-空穴对，电子被势阱收集，空穴被排出耗尽区。势阱吸收的光生电子数与入射光强成正比。一个MOS结构单元称为一个光敏单元或一个像素。 CCD上有成千上万个相互独立的MOS光敏单元，如果照在这些光敏单元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏单元就会产生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，因而得到影像信号。 二、移位寄存器 　　移位寄存器也是MOS结构，工作时它不能受光照射。 N Ua Ub Uc Ua t Ub t Uc t t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4 对多电极a1、b1、c1；……an、bn、cn，每三个如a1、b1、c1组成一个传输单元。 存储的电荷依次移位，传输到最后一个电极的电子被依次收集输出。 三、转移栅(光敏单元中的电荷向移位寄存器转移 ) 　　光敏区中产生的电荷，由转移门Z控制转移至a1、a2、----an极下的势阱。 四．面阵CCD 　　面阵CCD是按图象信息的处理要求而输出信号的。面阵CCD实际上是由许多线阵CCD排成二维形式，它主要用于电视摄像中。 六、CCD在动态测量直径中的应用 　　设CCD有N0个光敏元，每个光敏元的大小为13μ，计数器计数为N，则细丝直径D为： 　　CCD动态测量细丝直径的原理如图。 D＝13（N0-N） 　　由于用脉冲计数测量，故光源的波动对测量精度影响不大.故可达到较高的测量精度。如需要测量达到更高的分辨率，可用光学放大，如图所示。如k=x/y=1/13，则实