高速運放支持紅外(IR)接近檢測設計

本文介紹了一個簡單的IR收發(fā)器設計，所產生的IR信號調制在10kHz載頻，然后用單運放(MAX4230)放大反射信號，該運放同時還配置成二階帶通濾波器，解調10kHz的IR接收信號。

<-- ======================================================================= --><-- CONTENT: DB HTML --><-- ======================================================================= -->該設計思路同時發(fā)表在2009年8月6日的EDN雜志。

IR接近檢測傳感器廣泛用于檢測物體是否存在、與參照物之間的距離，或同時檢測兩者。具體應用包括：測速、自控式水龍頭、自動計數(shù)器或傳送帶物體檢測、打印機紙張邊緣檢測及其它應用。新一代智能手機中同樣采用了接近檢測技術，當手機被壓在人的下顎或耳朵下方時，可自動關閉LCD觸摸屏，避免對觸摸屏的誤操作。

檢測物體時，接近檢測傳感器首先向目標發(fā)射IR (紅外)脈沖，然后“偵聽”反射信號，探測是否存在任何反射脈沖(圖1)。IR LED發(fā)射IR信號，任何反射信號可以由IR光電檢測器捕獲。反射信號強度反比于目標和IR收發(fā)器之間的距離，距離越近IR反射信號越強，可以校準光電檢測器的輸出，由此判斷目標的準確距離(設定一個距離檢測門限可以判定目標是否存在)。


圖1. IR接近檢測傳感器的基本原理

光電二極管探測目標反射回來的IR信號，也可以檢測到周圍環(huán)境產生的IR信號。設計人員需要濾除這些IR噪聲，以避免失效檢測。通用的解決方案是將LED發(fā)射的IR信號調制到一個適當頻率，接收器只檢測經過調制的IR信號，確保實際檢測到的信號只來自目標物體的反射。

圖2所示IR接近檢測傳感器具有簡單的發(fā)射和接收電路，發(fā)射電路包括一個波長為940nm的IR LED (IR11-21C)，按照10kHz的振蕩頻率閉合、斷開。通過調整LED電流控制發(fā)射功率，從而控制檢測范圍。為降低功耗，發(fā)射電路通常采用占空比較小(典型值為10%)的發(fā)射脈沖。


圖2. 簡單的IR收發(fā)器，檢測物體是否存在以及物體與收發(fā)器之間的距離。

接收機電路解調并放大光電二極管(PD15-22C)探測到的IR信號，檢測信號的峰值出現(xiàn)在940nm波長。光電二極管輸出交流耦合到運算放大器的同相輸入端。交流耦合允許通過10kHz信號，而由耦合電容建立的300Hz截止頻率將在運算放大器的輸入端抑制直流噪聲和IR背景噪聲。

這類電路設計中最好選擇低噪聲、帶寬、滿擺幅輸入/輸出運算放大器(MAX4230)進行信號解調和放大。另外，運算放大器優(yōu)異的RF抑制有助于避免GSM手機中常見的217Hz蜂鳴噪聲。在IR接收器中，運放電路配置成增益為100、中心頻率在10kHz的二階帶通濾波器，使得運算放大器在放大輸入IR信號的同時可以利用其帶通濾波器對輸入IR信號進行解調。

沒有IR信號輸入時，運算放大器偏置在2.5V。輸入端出現(xiàn)10kHz IR信號時，輸出在2.5V上下變化，動態(tài)范圍為5V。運算放大器的輸出驅動簡單的二極管檢波器，檢波電路對10kHz信號整流并提供與信號幅度成比例的直流信號。模擬輸出信號(OUT)的幅度與目標距離IR發(fā)射器的遠近成比例?？梢灾苯永迷撦敵鲂盘栠M行檢測，也可以將其送入ADC作進一步處理。在電路的不同節(jié)點處測量信號波形，可以清楚地描述電路的運行狀況，圖3給出了距離IR收發(fā)器1.2英寸和1.4英寸情況下的信號波形。注意，這些標注了具體編號的波形分別對應于電路的不同節(jié)點。


圖3. 圖中波形由圖2電路產生，分別代表距離IR收發(fā)器1.2英寸和1.4英寸的物體的反射信號。