实现IR接近检测的高速运算放大器 - 模拟技术 - 电子工程师

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作者：Arpit Mehta  来源：Maxim公司  日期：2009-10-31

　　IR（红外）接近传感器可以检测一个物体的存在，物体与一个基准的距离，或两者均可检测。其应用包括速度探测、自动水龙头的人手探测、传送带上物体的自动计数或检查，以及打印机的纸边缘检测等。例如，最新一代的智能手机可以在屏幕接触到脸颊或耳朵时，关闭LCD触摸屏，防止对某些键的误操作。

　　在检测物体时，接近传感器会向物体发射IR脉冲，然后“聆听”反射回来的任何脉冲。一只IR LED负责发射IR信号，而一只IR光电探测管则负责探测反射信号。反射信号的强度与物体距离IR收发器的距离成反比。当物体距离较近时，反射的IR信号较强，因此可以校准光电二极管探测器的输出，确定一个物体的精确触发距离。触发距离是用于确定一个物体是否存在的阈值。

　　光电二极管探测到的不仅有物体反射IR，也包括来自环境中的IR。必须将这种IR噪声过滤掉，以防止虚假探测。一般的方法是用一个合适的频率去调制LED的IR信号，然后只探测有调制的IR信号，认为它才是物体反射回来的信号。


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2009-11-4 16:34:47 上传
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图1，IR接近传感器通过接收反射光，探测一个物体。

　　本设计实例描述了一种采用简单发射与接收的IR接近传感器（图1）。发射器包括一只Everlight的940 nm IR11-21C IR LED，它以10 kHz振荡频率作开和关。通过改变LED的电流，就可以控制发射功率等级，因此控制了探测范围。为节省功耗，发射脉冲的典型占空比只有10%。

　　Everlight PD15-22C光电二极管探测到的IR信号经接收电路作解调与放大；光电二极管的峰值灵敏度出现在940 nm。光电二极管的输出交流耦合到运算放大器的非反相输入端。这种耦合允许10 kHz信号通过，但耦合电容设定了一个300 Hz的截止频率，以阻止直流噪声以及背景IR到达放大器。

　　运算放大器具有低噪声、高带宽和轨至轨I/O能力，因此是本电路中解调与放大的很好选择。另外，它的RF抑制能力可防止GSM手机中经常出现的烦人的217 Hz嘟嘟声。对于IR接收器，运算放大器是作为一个增益为100的二阶带通滤波器，中心频率为10 kHz。因此，运算放大器对进入的IR信号作放大，并作为一个带通滤波器作解调。

　　当没有输入IR信号时，运算放大器偏置在2.5V。当有一个10 kHz IR信号进入时，运算放大器的输出围绕2.5V变化，动态范围为5V。运放输出驱动一个简单的二极管检波器，它对10 kHz信号作整流，产生一个与其振幅成正比的直流信号。这种模拟输出信号与物体到IR发射器的距离成正比。可以直接使用它，或将其送入一个ADC作进一步处理。

　　图2给出了物体距离IR发射器1.2英寸和1.4英寸的三结点电路工作情况。图2中圈出的号码对应于图3中的示波器波形。


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图2，IR收发器探测一个物体的存在，并提供物体距收发器的距离。



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图3，不同距离提供了不同幅度的接收波形。