《光电探测器的偏置电路讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电探测器的偏置电路讲解（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光电探测与信号处理 第四章 光电信号处理 华中科技大学 1 1 第四章 光电信号处理 教学内容课课内学时时课课外学时时 4.1 光电电探测测器的偏置电电路 4.1.1 探测测器伏安特性回顾顾及基本概念 4.1.2 可变电变电 阻型探测测器的偏置和设计设计 4.1.3 恒流源型探测测器的偏置和设计设计 4.1.4 光生电势电势 型探测测器的偏置和设计设计 4.2 光电电探测测器的放大电电路 4.2.1 放大器的噪声模型 4.2.2 放大器的外部电电路设计设计 4.2.3 多级级放大器的噪声影响 4.3 微弱信号检测检测 4.3.0 概述 4.3.1 信噪比改善（SNIR） 4.3.2 相关检测检
2、测 原理 4.3.3 锁锁定放大器 4.3.4 取样积样积 分器 8h8h 2 2 4.1.1 探测器伏安特性回顾及基本概念 4.1.2 可变电阻型探测器的偏置和设计 4.1.3 恒流源型探测器的偏置和设计 4.1.4 光生电势型探测器的偏置和设计 4.1 光电探测器的偏置电路 3 3 4.1.1 探测器的伏安特性回顾及基本 概念 4 4 可变电阻型 光生电势型 恒流型 PC器件 电阻型热探测器 （加偏置，不分正负） PV器件，PMT （加反向偏置） 光电池 （不加偏置 ） 一、探测器的伏安特性 5 5 1可变电阻型探测器的伏安特性 l光电导探测器 （光敏电阻 ） 6 6 2恒流源型探测器的伏
3、安特性 l（1）光电倍增管 阳极与末极倍增极间的电压/V I/A 7 7 l（2）光伏探测器 8 8 l（a）光电二极管 9 9 l（b）光电三极管 1010 3光生电势型探测器的伏安特性 l光电池 1111 l静态：当电路没有输入信号时（对光信号而言指恒定的或缓 慢变化的光信号），电路中各处的电压、电流都是不变的直 流，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。在静态工作 情况下，负载线和伏安特性曲线的交点称为静态工作点。 l动态：当电路输入信号后，电路中各处的电压、电流处于变 动状态，这时电路处于动态工作状态，简称动态。如在许多 场合下，光电检测电路接受到的是随时间变化的瞬变信号或 各种形式的
4、调制光信号。在动态工作情况下，负载线和伏安 特性曲线的交点称为动态工作点。 1. 静态和动态 二. 基本概念 1212 电路中直流信号和交流信号是同时存在的，为 了分析研究方便，将两种信号对电路的作用分开讨 论，即分为直流通路和交流通路。 直流通路:在直流电源作用下直流电流流过的通路， 即静态电流通路。主要用于求解静态工作点。 直流通路的确定方法: (a)将电容开路； (b)将电感短路，忽略内阻； (c)信号源短路，保留内阻。 2. 直流和交流通路 1313 交流通路: 在输入信号作用下交流电流流过的通路， 即动态电流通路。主要用于确定电路的动态参数。 交流通路的确定方法: (a)将电容视为短
5、路； (b)将电感视为开路； (c)将直流电源视为短路。(小内阻) 信号的不同分量可以分别在不同的通路中分析。 在分析电路时，应遵循“先静态，后动态”的原则， 求解静态工作点Q时应用直流通路，求解动态参数 时应用交流通路，两种通路必须分清，不可混淆。 1414 RC耦合共射放大电路 开路 开路 RB +EC RC C1 C2 T 直流通道 RB +EC RC 利用上述原则，阻容耦合共射放大电路的直、交流通路 分别为: 1515 对交流信号(输入信号ui) 短路 短路 置零 RB +EC RC C1 C2 T RB RCRL ui uo 交流通路 1616 4.1.2 可变电阻型探测器的偏置和设
6、计 1717 ：探测器电阻：偏置电阻（或负载电阻） 一、基本偏置的静态设计 1. 图解法 负载回路方程 伏安曲线 负载线 伏安特性 （缓变辐射）（缓变辐射） 1818 2. 解析法 偏置电流 输出点电压 光敏电阻功耗 入射辐射变化时，偏置电阻 RL两端的输出信号电流、电 压变化为 ？ 电路参数确定后，输出信号变化与入射辐射量的变化成线性关系。 1919 设入射于光敏电阻的辐射为调制辐射正弦， RLRd ip Cd VL 等效微变电路 基本偏置电路 二、基本偏置的动态设计 2020 输出的交流部分电流 输出的交流部分电压 交流负载线 2121 检测微弱信号时需考虑器件的固有噪声： 热噪声、产生复
7、合噪声及/f噪声 光敏电阻若接收调制辐射，其噪声的等效电路如 图所示 ip ingr int inf RL Rd Cd 考虑噪声时的噪声等效电路 2222 4.1.3 恒流源型探测器的偏置和设计 （光电二极管） 参考：孙培懋，光电技术 康华光，电子技术基础，第三版 2323 一. 静态 （直流或缓慢变化辐射） （1 1） 基本电路基本电路 2424 负载线的确定： I0， （N点）； V=0, （T点） n 负载线的斜率：1/Rb。 n n 当输入光通量由当输入光通量由 0 0 作作缓慢改变时，缓慢改变时， 在负载电阻上在负载电阻上 会产生会产生VV电压输出和电压输出和 I IQ Q的电流信号
8、输出。 的电流信号输出。 （2 2）确定静态工作点）确定静态工作点 负载线和静态工作时所对 应的伏安特性曲线的交点 Q即为输入电路的静态工 作点。 2525 l电路参数Rb对输出信号的影响 由图可知：在一定偏压下，随Rb增大，输出 信号电压范围变大，但过拐点M后，信号会产 生畸变。 M （3）参数分析（ Rb和Vb ） Rb影响 M 2626 Rb值一定时，未过拐点M之前，Vb增大使 输出信号电压线性改善。Vb过大使功耗加 大，引起PD反向击穿。 Vb影响 l电路参数Vb对输出信号的影响 M 2727 结论：在利用图解法确定 Rb和Vb时，应根据输入 光通量的变化范围和输 出信号的幅度要求，使
9、 负载线稍高于拐点M， 并保证Vb不大于最高工 作电压Vmax。 M 2828 例1 用2DU测缓变辐射通量（静态）。已 知2DU的电流灵敏度 ，在测光 范围中最大辐射通量100W,伏安特性 曲线的拐点电压VM=10V，若电源电压 Vb=15V。 要求负载线建立在线性区内。求： （1）保证输出电压最大时的Rbmax=? （2）辐射通量缓慢变化10W时，输出电 压的变化量. 思 考 题 2929 解：依题画出如下简图 (1).为保证2DU工作于线性区且 Rb最大，过拐点作负载线，则 : (2).输出电压 : 3030 二、动态工作状态设计 （动态工作点频率响应） 1. 输入电路动态工作点的计算
10、原则：先直流，再交流 3131 反偏压PD的交变光探测基本电路 l（1）根据直流通路确定静态工作点 反偏压PD的交变光探测电路直流通路 回路方程回路方程 V 3232 斜率为1/Rb的 直流负载线和照 度为E0的伏安特 性曲线的交点确 定静态工作点Q Q 3333 l（2）根据交流通路确定动态负载线和工作区域 V 反偏压PD的交变光探测基本电路反偏压PD的交变光探测电路交流通路 在信号通频带范围内，耦合电容C 可以认为是短路。 3434 交流负载线与光照度E=E0对应的伏安特性相交于Q点。 交流负载线斜率由RL/Rb决定，同时为了充分利用器件的线性 区间（使输出信号最大），对应的交流负载线应通
11、过特性曲线 的转折点M。 设光照度变化： 则光照度变化范围: 等效交流负载电阻： Q M (VM ) VQ Vb/Rb I IQ VQ+VmVQ-Vm IQ-Im IQ+Im 3535 l（3）计算信号 线性输出最大时 ，负载RL上的交 流输出电压峰值 Vm、电流峰值ILm 和负载功率PL Q M (VM ) VQ Vb/R b I IQ VQ+VmVQ-Vm IQ-Im IQ+Im （有效值） （峰值） （峰值） 3636 将PL对GL求偏微分，得最大功率输出条件为 : l（4）计算负载最大功率输出时负载RL上的输出 电压VLmax、电流ILmax和负载功率PLmax 电流由负载和偏 置电阻
12、均分 3737 大三角中 l（5）计算最大 功率输出时直 流偏置电阻Rb0 和偏置电压Vb 或 当已知电源电压Vb时， 可计算出偏置电阻Rb。 Q M (VM ) VQ Vb/R b I IQ VQ+VmVQ-Vm IQ-Im IQ+Im 小三角中 3838 2. 探测电路的频率特性计算 高频短路 列出电路的回路方程： 基本电路微变等效电路 SE 3939 分析：不同工作状态下的VL表示 1）给定输入光照度在负载上取得最大功率输 出时 （RL=Rb，gR R b b 功率放大功率放大 R RL L= =R Rb b 4343 习 题 1. 用2CU接收激光信号，2CU的S=0.5A/W， =2
13、5W时，伏安特性曲线拐点电压VM10V，结 电容C13pF，电源电压Vb60V，引线分布电容C0 7pF，设激光的辐射通量=(20+5sint) W，求管 子在线性区，获得最大功率时的偏置电阻Rb和负载 电阻RL，VLmax，ILmax和上限截止频率。 4444 l2. PMT阳极特性为： 时， IA=200A，拐点电压Vm60V，阳极电压 VA90V，要求在线性区内的负载电阻获得 最大的输出电压，求： a.直流负载Rb？ b. 如果入射的最大光通量由410-5lm缓变为 2.510-5lm时（静态工作点的改变），求输 出电压的变化量。 4545 4.1.4 光生电势型探测器的偏置和设计 （光
14、电池） 4646 一.光生电势型探测电路的静态计算 V 流过探测器的总电流： I=IP-Id（未考虑表 面漏电流） 1. 基本电路2. 回路方程 其中 4747 由伏安曲线，对于给定的0，只要选定RL，工作点Q就 能由负载线与光电池相应伏安曲线的交点决定。该点的IQ和 VQ即为RL上的输出值。相对对0的光通量增量将形成对对 应应的电电流变变化I和V。 3. 确定直流负载线 4848 由图知：对确定的电阻RL（以RLs为例） ， 当输入光通量较小时，负载上的输出电压和电流随光通量成 正比例增加； 当入射光通量较大时，输出电压和电流呈饱和状态（非线性 ）。电阻越大越明显。 (1)(1)的影响的影响
15、 4. 分析输入光通量和负载电阻RL 对输出的影响 4949 由图知：对应相同的=12， 当RL RLS时，呈非线性（电压饱和），在检测电路中往往希望 线性。 （2 2）R R L L 的影响的影响 5050 V P I V/I/P RL o RLs （c） 在同一入射光通量下，负载电阻对光电池输出电压、电流、功率 的影响曲线如图所示 5151 （c） （a）短路或线性电流放大（RL=0） l电流变换状态，负载输出光电流最大； l要求后续放大器输入阻抗尽可能小； l与入射光通量有良好的线性关系； l短路状态下器件噪声电流较低，信噪比 改善，最适用于弱光信号的检测。 三种工作状态：三种工作状态：
16、 5252 当有 则： （b）空载电压输出（I=0） 利用上式，可在已知、Voc时 ，计算另一下的 Voc 相减 5353 l在第三区域可得到与输入光通 量近似成正比的信号电压。 l增大负载电阻有助于提高电压 ，但却引起输出信号的非线性 畸变。因此需确定负载电阻的 临界值。 （C）线性电压输出 5454 l图解法计算临界电阻RLS 由给定的max， 取 与伏安特性曲线交于S点，得到临界负载RLS,即临界电阻RLS上的Vs为 max 对应的输出电压变化为： IP 5555 l综上所述，线性区工作分两种情况： 电流放大：要求RL与后级放大器的输入阻抗尽量小 ，使负载线靠近电流轴以得到最大的电流输出。 输出电流变为ISC和有良好的线性关系 电压放大：在保持良好线性情况下，有最大 的电压输出，负载线可接近临界负载线，则 输出
