应用笔记 4622

高速运放支持红外(IR)接近检测设计

By: Arpit Mehta

摘要 : 本文介绍了一个简单的IR收发器设计,所产生的IR信号调制在10kHz载频,然后用单运放(MAX4230)放大反射信号,该运放同时还配置成二阶带通滤波器,解调10kHz的IR接收信号。

该设计思路同时发表在2009年8月6日的EDN杂志。

IR接近检测传感器广泛用于检测物体是否存在、与参照物之间的距离,或同时检测两者。具体应用包括:测速、自控式水龙头、自动计数器或传送带物体检测、打印机纸张边缘检测及其它应用。新一代智能手机中同样采用了接近检测技术,当手机被压在人的下颚或耳朵下方时,可自动关闭LCD触摸屏,避免对触摸屏的误操作。

检测物体时,接近检测传感器首先向目标发射IR (红外)脉冲,然后“侦听”反射信号,探测是否存在任何反射脉冲(图1)。IR LED发射IR信号,任何反射信号可以由IR光电检测器捕获。反射信号强度反比于目标和IR收发器之间的距离,距离越近IR反射信号越强,可以校准光电检测器的输出,由此判断目标的准确距离(设定一个距离检测门限可以判定目标是否存在)。

图1. IR接近检测传感器的基本原理
图1. IR接近检测传感器的基本原理

光电二极管探测目标反射回来的IR信号,也可以检测到周围环境产生的IR信号。设计人员需要滤除这些IR噪声,以避免失效检测。通用的解决方案是将LED发射的IR信号调制到一个适当频率,接收器只检测经过调制的IR信号,确保实际检测到的信号只来自目标物体的反射。

图2所示IR接近检测传感器具有简单的发射和接收电路,发射电路包括一个波长为940nm的IR LED (IR11-21C),按照10kHz的振荡频率闭合、断开。通过调整LED电流控制发射功率,从而控制检测范围。为降低功耗,发射电路通常采用占空比较小(典型值为10%)的发射脉冲。

图2. 简单的IR收发器,检测物体是否存在以及物体与收发器之间的距离。
图2. 简单的IR收发器,检测物体是否存在以及物体与收发器之间的距离。

接收机电路解调并放大光电二极管(PD15-22C)探测到的IR信号,检测信号的峰值出现在940nm波长。光电二极管输出交流耦合到运算放大器的同相输入端。交流耦合允许通过10kHz信号,而由耦合电容建立的300Hz截止频率将在运算放大器的输入端抑制直流噪声和IR背景噪声。

这类电路设计中最好选择低噪声、带宽、满摆幅输入/输出运算放大器(MAX4230)进行信号解调和放大。另外,运算放大器优异的RF抑制有助于避免GSM手机中常见的217Hz蜂鸣噪声。在IR接收器中,运放电路配置成增益为100、中心频率在10kHz的二阶带通滤波器,使得运算放大器在放大输入IR信号的同时可以利用其带通滤波器对输入IR信号进行解调。

没有IR信号输入时,运算放大器偏置在2.5V。输入端出现10kHz IR信号时,输出在2.5V上下变化,动态范围为5V。运算放大器的输出驱动简单的二极管检波器,检波电路对10kHz信号整流并提供与信号幅度成比例的直流信号。模拟输出信号(OUT)的幅度与目标距离IR发射器的远近成比例。可以直接利用该输出信号进行检测,也可以将其送入ADC作进一步处理。在电路的不同节点处测量信号波形,可以清楚地描述电路的运行状况,图3给出了距离IR收发器1.2英寸和1.4英寸情况下的信号波形。注意,这些标注了具体编号的波形分别对应于电路的不同节点。

图3. 图中波形由图2电路产生,分别代表距离IR收发器1.2英寸和1.4英寸的物体的反射信号。
图3. 图中波形由图2电路产生,分别代表距离IR收发器1.2英寸和1.4英寸的物体的反射信号。

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