一种光栅位移传感器光电接收器件的制作方法

本发明涉及一种光栅位移传感器光电接收器件，属于光电测量。

背景技术：

1、光栅位移传感器是一种位置测量装置，其使用光栅作为测量基准，通过led将光栅或光栅形成的莫尔条纹透射到光电二极管上，光电二极管将光信号转化为电流信号，处理电路通过对电流信号的电流-电压转换、放大、形成与位置相关的电压信号，通过公知的方法对该电压信号进行处理即可得到位置信息。

2、目前光栅位移传感器的光电转换一般采用两种方式：1.分立元件，2.集成元件。

3、分立元件中，采用多个独立光电二极管接收不同相位的光栅或光栅形成的莫尔条纹信号，使用外置电路将光电二极管的电流信号放大为电压信号。由于使用了多个独立光电二极管，以及光栅位移传感器体积、led照射面积受限，因此分立元件方案中一般使用多个led。

4、集成元件中，一般使用光电二极管阵列，即将多个光电二极管集成到一个芯片上，甚至将光电流处理电路也集成在芯片上，这样的好处是可以只使用1个led，从而提高了集成度，减小了光栅位移传感器的体积。

5、目前，由于集成元件的定制成本高、设计周期长，一般在高端光栅位移传感器中使用。

6、中国专利公报公开了“一种用于增量式位移测量装置的光电接收传感器”(公开号：cn103308084a)，该传感器中，光电探测器阵列输出与光信号对应的正弦电流信号；增益可调放大电路接收正弦电流信号后进行放大并转换电压信号；加法器将增益可调放大电路输出的转换电压信号加和，得到一直流电压信号；减法器将增益可调放大电路输出的电压信号转换成正弦信号或余弦信号。该传感器存在以下问题：(1)，由于减法器的输入必须是相位相差π的信号，而且传感器上的减法器和增益可调放大电路之间的连接方式已经固定，因此光电二极管阵列上的莫尔条纹信号相位必须按照固定方式排列；(2)光电探测器表面的光学信号包含了共模信号和差模信号，其中差模信号直接反映了位置的变化，共模信号是泰伯效应等物理光学因素造成的，与位置无关，且占比较大，共模信号一般是差模信号的2～50倍。该传感器直接对光电二极管输出的电流信号进行放大(一般称之为跨阻放大)，然后再对相位相反的电压信号进行差分放大，从而去除共模信号。由于跨阻放大将共模信号和差模信号同时放大，容易导致跨阻放大输出的电压饱和，从而使得光栅位移传感器工作错误；同时也限制了照明led的光照强度，只能通过提高差分放大的倍数来提高信号幅度，这样引入了额外的噪声。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种光栅位移传感器光电接收器件，该器件可以灵活调整光电二极管阵列的分组方式，提高光电传感器的应用范围，并且能够避免对共模信号的放大，提升信噪比。

2、为了解决上述技术问题，本发明的光栅位移传感器光电接收器件包括光电二极管阵列、跨阻放大电路，其特征在于还包括差分选择开关网络和电流差分电路；差分选择开关网络将光电二极管阵列输出的电流信号两两配对送入电流差分电路；电流差分电路将每对相位相差π的电流信号做差后输出给跨阻放大电路，再由跨阻放大电路放大为电压信号输出。

3、所述的光电二极管阵列、差分选择开关网络、电流差分电路、跨阻放大电路均集成在一个芯片上。

4、所述的差分选择开关网络，对应每组开关包含四个输入端口、七个开关和四个输出端口；输入端口in1与输出端口out1直接连接；输入端口in2通过开关sw1与输出端口out2连接，通过开关sw4与输出端口out3连接；输入端口in3通过开关sw2与输出端口out2连接，通过开关sw5与输出端口out3连接，通过开关sw6与输出端口out4连接；输入端口in4通过开关sw3与输出端口out2连接，通过开关sw7与输出端口out4连接；对应的，电流差分电路包含两个电流减法电路；输出端口out1、输出端口out2连接其中一个电流减法电路的两个输入端，输出端口out3、输出端口out4连接另一个电流减法电路的两个输入端。

5、所述的光电二极管阵列包含4×n个光电二极管；相位相同的光电二极管输出端短接组合为一路信号线，共组合四路信号线，分别输出电流信号i1、i2、i3、i4；电流信号i1、i2、i3、i4分别经输入端口in1～输入端口in4输入差分选择开关网络，经输出端口out1～输出端口out4输出电流信号i1、i5、i6、i7，通过控制开关sw1～开关sw3其中一个闭合，可以选择电流信号i5等于电流信号i2、电流信号i3或电流信号i4；通过控制开关sw4、开关sw5其中一个闭合，可以选择电流信号i6等于电流信号i2或电流信号i3；通过控制开关sw6、开关sw7其中一个闭合，可以选择电流信号i7等于电流信号i3或电流信号i4。

6、当电流信号i1、i2、i3、i4的相位分别等于0、π/2、π、3π/2时，开关sw2、开关sw4、开关sw7闭合，开关sw1、开关sw3、开关sw5、开关sw6打开，输出端口out1、out2、out3、out4分别输出相位等于0、π、π/2、3π/2的电流信号i1、i5、i6、i7。

7、当电流信号i1、i2、i3、i4的相位分别等于0、π、π/2、3π/2时，开关sw1、开关sw5、开关sw7闭合，开关sw2、开关sw3、开关sw4、开关sw6打开，输出端口out1、out2、out3、out4分别输出相位等于0、π、π/2、3π/2的电流信号i1、i5、i6、i7。

8、所述的光电二极管阵列集成在第一个芯片上，包含多个探测单元，每个探测单元包含16个光电二极管，按顺序编号为16*i+1，16*i+2，…，16*i+16，i＝0,1,2，3…，n-1，n为探测单元数量；相邻光电二极管之间具有第一节距d1和第二节距d2，第一节距d1和第二节距d2在光电二极管阵列上交替分布；d2＝2.5d1；光信号的光强分布周期t＝k×d1，k＝2或者4；每两个相位相关的光电二极管分为一组，在第一个芯片上短接在一起，引出8路信号线；在第一芯片外部根据光信号的光强分布周期t与第一节距d1的关系将8路信号线组合为能够分别输出相位为π/2、π、3π/2、0四路电流信号i1、i2、i3、i4的4个输出信号线；4个输出信号线分别连接差分选择开关网络的输入端口in1～输入端口in4，差分选择开关网络的开关sw2、开关sw4、开关sw7闭合，开关sw1、开关sw3、开关sw5、开关sw6打开，经输出端口out1～输出端口out4输出相位分别等于0、π、π/2、3π/2的电流信号i1、i5、i6、i7。

9、第一个芯片上，编号为16*i+1和16*i+6的光电二极管电连接，引出h路信号线，编号为16*i+3和16*i+8的光电二极管电连接，引出g路信号线，编号为16*i+5和16*i+10的光电二极管电连接，引出f路信号线，编号为16*i+7和16*i+12的光电二极管电连接，引出e路信号线，编号为16*i+2和16*i+13的光电二极管电连接，引出d路信号线，编号为16*i+9和16*i+14的光电二极管电连接，引出c路信号线，编号为16*i+4和16*i+15的光电二极管电连接，引出b路信号线，编号为16*i+11和16*i+16的光电二极管电连接，引出a路信号线。

10、对于t＝2×d1的情况，在第一个芯片外部将c路信号线与h路信号线电连接，输出绝对相位为0的电流信号，a路信号线与g路信号线电连接，输出绝对相位为3π/2的电流信号，f路信号线与d路信号线电连接，输出绝对相位为π的电流信号,e路信号线与b路信号线电连接，输出绝对相位为π/2的电流信号。

11、对于t＝4×d1的情况，在芯片外部将b路信号线与h路信号线电连接，输出相对相位为0的电流信号，f路信号线与g路信号线电连接，输出相对相位为3π/2的电流信号，e路信号线与c路信号线电连接，输出相对相位为π的电流信号,a路信号线与d路信号线电连接，输出相对相位为π/2的电流信号。

12、本发明的有益效果在于：

13、1.作为光电传感器，适用于多种光栅莫尔条纹排列方式。

14、使用差分选择开关网络对光电二极管阵列输出的电流信号分组，一般将相位相差180°的信号分为一组。对于不同的莫尔条纹排列方式，可以调整光电二极管阵列的分组方式，从而提高了光电传感器的应用范围。对于同一产品，可以通过本发明检验莫尔条纹最佳排列方式，提高产品性能；对于同类产品，减少了集成元件开发次数。

15、2.能够避免对共模信号跨阻放大引起的电压信号饱和以及led利用效率低的缺点。

16、采用电流减法电路，将每组电流信号做差，随后输出给跨阻放大电路，直接避免了对共模信号的跨阻放大导致的信号饱和问题，同时也可以通过提高led亮度来提高信号幅度，提升了信号的信噪比。