光电检测技术4.1

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1、1第四章光电信号检测电路第 4章 光电信号检测电路主要内容： 4.1 光电检测电路的设计要求 4.2 光电信号输入电路的静态计算 4.3 光电信号检测电路的动态计算 4.4 光电信号检测电路的噪声 4.5 前置放大器4.1 光电检测电路的组成及设计要求 光电器件 ：实现光电转换的核心器件前置放大器： 放大光电器件输出电信号匹配后置处理电路与检测器件的阻抗输入电路： 提供光电器件工作的条件完成和前置放大器的电路匹配电信号光信号光电变换前置放大光电检测电路的组成光电检测电路光电检测电路的设计要求检测电路设计应满足:1.灵敏的光电转换能力：使给定的输出光信号在允许的非线性失真条件下有最佳的信号输出系

2、数,得到最大的功率、电压或电流输出。2.最佳的信号检测能力：具有保证可靠检测所必须的信噪比或最小可检测功率。3.快速的动态响应能力：满足信号通道所要求的频率选择性或对瞬变信号的快速响应。4. 长期工作的稳定性和可靠性。4.2 光电信号输入电路的静态计算2检测电路设计的步骤：1.电路静态计算2.电路动态计算3.噪声估算4.放大电路的选择与设计缓慢变化信号常采用直流电路进行检测。设计方法:1非线性图解法2.分段线性化解析法计算按伏安特性划分类型:恒流源型、光伏型、可变电阻型4.2.1 恒流源型器件光电信号输入电路一、恒流源型光电检测电路的计算以光电倍增管、光电二极管、光电三极管为代表其伏安特性曲线

3、 :1.是一组以输出光照度 E 或光通量的不同的曲线族。2.IU伏安特性：I为在E(或)下产生的光电流，U外加反向偏压。3.在 U 较小时曲线有弯曲的趋势，并有转折点 UM，随着 U 增大 I-U 曲线逐渐平直 ,并且随着 U 的上升 ,I 变化不大，故称恒流源型。4.伏安特性图：见下页恒流源型光电检测器件的伏安特性曲线（ a）光电倍增管 （ c）光电三极管(b)光电二极管图解法计算（光电二极管）1.由图（ a） U(I)=Ub-IRL ， U(I)是非线性函数 .2.当 I=0 时 U(I)= Ub3.当 U(I )=0时 I= Ub/RL, （ a）基本电路；（ b）图解法。（ a）基本电

4、路；（ b）图解法。1. Q 为静态工作点：2. 图 (b)斜线的斜率 -1/RL；3. 当输入光通量由0改变时，在负载电阻 RL上会产生 -+ U的电压信号输出和 I的电流信号输出。图解法计算（光电二极管）随着L的变化，静态工作点将发生移动，且随的变化点也发生移动； 的变化 I( )和 U( )也发生变化，如图（）所示：图（ C）负载电阻影响讨论：1） .L减小， I范围 增大；2） .L减小的程度受最大工作电流和功耗的限制；3） .L 增大则输出电压变大L太大将使进入非线区在非线性区光电灵敏度不再是常数，使输出信号的波形发生畸变。3讨论：）b增大 增大 线形改善）b增大 增大）b增大 二极

5、管击穿结论：（1）利用图解法使负载线稍越点，并保证 b 不越过允许范围的电压（最大反向电压）。（ 2） RL的选择受二极管通过的电流，静态工作点及输出电压的影响。解析计算法折线化方法：a方法：作直线与伏安特性曲线相切b方法：经过转折点 M和原点 O的连线，得到折线化特性的非线性部分再用一组平行直线和实际恒流部分逼近，得到折线化特性的线性工作部分。（ a）折线化 a方法 （ b）折线化 b方法理想的光电二极管等效电路I=IP+IdId=UG 0转折电压，对应于曲线转折点处的电压值 0初始电导，非线性区近似直线斜率。 结间漏电导，线性区各平行直线的平均斜率。 p输入光功率为 P 时输出的光电流。

6、d无光照时的暗电流。 光电灵敏度： 单位输入光功率所引起的光电流 p 可以是，也可以是 E，：光电器件光敏面积 (受光 ) 折线化伏安特性的参量I=f(u, )=Id+Ip=UG+S 求的全微分得 duuIdI= SdgdudI+=其中： g=uI微变等效漏电导 s=I微变光电灵敏度 在minMAX为已知下，用解析法计算电路的工作状态如下： 确定线性工作区域 对应最大输入光通m的伏安曲线弯曲处点转折电压0，初始电导0可由图 4（ a）确定。 NargtgG0U0UbUb-U0图 4-5(a) 用解析法计算输入电路 -确定线性区确定线性工作区域4在 MN max000 SGUUG +=GGSU=

7、00max(1) 0max0USGG+=(2) 给出了 G0、 Uo、 G 、 S这四个基本参数的关系。 NargtgG0U0UbUb-U0图 4-5(a) 用解析法计算输入电路 -确定线性区图2). 计算负载电阻和偏置电压 1)负载线和对应max的点不能进入转折点设负载线通过点，则： MN ： 000)( UGGUULb=当Ub已知时，000UUUGGbL=(3) 把 (1)GGSU=00max代入 ( )得 GSUSGGbLG0max0max)(1=(其中当 Ub时已知可求GL， LLGR1=) NargtgG0U0UbUb-U0图 4-5(a) 用解析法计算输入电路 -确定线性区图 用解

8、析法计算输入电路 确定线性区000)( UGGUULb=当 GL已知时，LLbGGGUU)(00+=(4) 把 (1)GGSU=00max代入 (4) 可求偏置电压 : )()(00maxGGGGGSLLbU+=3).计算输出电压max00minmaxmaxUUSGU）U（GSGU）U（GbLbL+=+=H点：点：图 4-5（ b）计算输出信号当光通量由最小值变化到最大值时，输出电压幅度为 minmaxUUU =，可由图 4-5b 中 M 点和 H 点的电流值计算得到。 解上式得 : GGSUGLbLU+=minmaxGGSUGLbLU+=max0则 = UU 0max=GGSL+minmax

9、=GGSL+输出电压与 、 S 成正比，与 G+GL成反比。 max00minmaxmaxUUSGU）U（GSGU）U（GbLbL+=+=H点：点：（ 4）计算输出电流幅度 由图 4 5（ b）所示，可得电流输出幅度为：I=II minmax=GL ， 将代入得： LLGGSUGI+=1minmax（ 4-10）一般GGL 则上式： = =SSI)minmax(图 4-5（ b）计算输出信号图 （5（ 5） . 计算输出功率： 由功率关系： P=I )2(2LLLGGSGUGP+=GGSUL+=例 1：图 1 所示电路，设电源电压 UB=9V。光敏二极管伏安特性曲线如下图所示，光敏二极管上的光

10、通 量为在 0150 lm 之间变化的正弦量，要使输出交变电压的幅值为 3V，求所需负载电阻及工作点。 U电路方程： U=UB IRL光通量静态工作点总电流解： 1、求负载电阻 RL: 从光敏二极管伏安特性可知， 该管的暗电流为 2uA，光通量为 150ulm 时光电流变化量 17uA， 则光电流的变化量为： I=（ 17-2） uA=15 uA 交变光电流为正弦量，其幅值为： 1/2 I=（ 17-2） /2=7.5uA， U=3v, 可求得所需负载电阻 : RL= U/ I=3V/7.5uA=400K . 2、求静态工作点： 设 i=0 则 Ud=UB=9V， N 点 (9， 0)，过 N

11、 点作一条与横坐标成= arctan(1/RL)角直线， 与纵轴 I 轴交于 M点， MN 即为负载线。 MN 与 0=75ulm 曲线 (图中虚线 )的交点即为工作点 Q， 从图上可得： IQ=9.5 uA UQ=5.5V 4.2.2 光伏型器件光电信号输入电路mAi/VU /0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-0.2 -0.4-0.6-0.8光伏型器件伏安曲线等效电路光伏型器件伏安曲线如图示，位于第四象限，器件的端电压 U和电流 I的方向相反，具有赋能元件的性质。这类器件主要是光电池和 光电池工作状态下的光电二极管 。pUUsIeIIT= )1(光电池输出电流有下列形式：将光电池的

12、伏安特性转到第一象限，即规定电流的正方向，则伏安特性可表示为：)1( =TUUspeIII或( )sspTIIIIUU+= lnIpIdI61、光伏型器件输入电路的形式：无偏置型、反向偏置型和太阳能电池充电电路2、无偏置输入电路的静态计算U LRpIdII电路方程：ULRLRIU =( )1=TUUspeIII负载线与给定光通量0对应的伏安曲线的交点即为工作点Q。Q点对应的U和I即为RL上的输出电流和电压。光通量变化时形成相应的输出电流变化和输出电压变化。图解法分析：Ui+0QIIULGarctanQUOQ伏安特性 非线性光通量 较小时 近似线性关系光通量 较大时 逐渐饱和状态电阻越大越明显负

13、载电阻的选取影响输出信号光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析：RLUMRM0=LR短路电流或线性电流放大(区域I)空载电压输出(区域IV)线性电压输出(区域 II)1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU 2U0=LR1R2RMR1、负载电阻很小,接近于0,电路工作状态接近于短路工作状态,可实现电流变换。后续电流放大级可从光电池中吸取最大的输出电流。此时输出电流为：()=SIIeIIIscpRURIspLTL01= SI和短路电流或线性电流放大区域 I线性关系良好特点：短路状态下器件的噪声电流较低信噪比得到改善 适合于弱光信号的检测光电池相当于电流源 连接电流放大器2、光电池的开路电

14、压通常为0.45-0.6V，当入射光强做跳跃式变化时，不要求电压随光通量线性变化（IV区），适合于开关电路或继电器工作状态。开路电压是：sTspTsspTocISUIIUIIIUUU=+=lnlnln特点：在这种状态下，对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，有利于弱电信号的检测光电池相当于电流源 连接阻抗放大器1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU 2U0=LR1R2RMR空载电压输出区域IVmaxOCOC0.77.0SUIURPM=3、此时负载电阻处于中间值，小于临界负载 RM，输出电压与输入光通量近似线性。这通常是我们需要的工作状态！在线性度要求不高时,可用图解法通过 O

15、M 负载线,确定 RM线性电压输出区域 II1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU 2U0=LR1R2RMRocU7.0特点：连接电压放大器4.2.3 可变电阻型器件光电信号输入电路LIULRbULRbULbRUQIU光敏电阻电路123UiOGarctan图解法伏安曲线光敏电阻的一般电路如右图。其阻值随输入光通量改变的伏安特性如右下图。光敏电阻的阻值表示为：dpGGGR+=11利用图解法分析光敏电阻输入电路如图示。在建立负载线之后即可确定对应于输入光通量13变化的输出信号。LLbRIUU =光敏电阻两端电压：7利用解析法分析光敏电阻输入电路按照线性电路规律，依图有：；RRUILbL+=bLLLURRRU+=LIULRbULR当光通量变化时，光敏电阻变化 R，引起负载上输出电流 I和输出电压 U的变化：()RRRUILbL+=2=+= SGGGRpdp,1又