《第4部分光电信号检测电路培训课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4部分光电信号检测电路培训课件（86页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 光电信号检测电路,主要内容,光电检测电路的设计要求 光电信号输入电路的静态计算 光电信号检测电路的动态计算 光电信号检测电路的噪声 前置放大器 光电检测电路举例,通常的光电检测电路组成,光电器件,输入电路,前置放大器,光电器件是实现光电转换的核心器件，是沟通光学量和电子系统的接口环节，把被测光信号转换成相应的电信号。,输入电路是为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换，同时完成和前置放大器的电路匹配。,前置放大器将光电器件输出的微弱电信号进行放大，同时匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。,光电检测电路的设计要求,设计原则：根据光电信号的性质、强弱、光学的和器件的噪声电平以及输出
2、电平和通频带等技术要求来确定电路的连接形式和电路参数，保证光电器件和后续电路最佳的工作状态。使整个检测电路满足下列要求：,灵敏的、较强的光电转换能力：光电灵敏度。 快速的动态响应能力：频率响应及选择特性。 最佳的信号检测能力：信噪比(SNR)、等效噪声功率(NEP)。 长期工作的稳定性和可靠性：,光电倍增管,光电二极管,光电三级管,4.2.1 恒流源型器件光电信号输入电路,在工作电压较小时，曲线呈弯曲，存在一个转折点M，随电压增大，输出电流变化不大，趋于恒流。与晶体管集电极特性曲线类似，可以采用晶体管放大器类似的方法分析。区别在于光电流控制输出电流，而光电流是由输入光功率控制的。,1、图解计算
3、法：利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。,负载线方程：,负载线与对应输入光通量为 0时的器件的伏安特性曲线交点Q，即为输入电路的静态工作点，当0改变时，在负载电阻RL上产生的 电压信号输出和 的电流信号输出。,图解法适用于大信号状态下的电路分析，在大信号状态下，可定性地输出信号的波形畸变。在做光电开关情况下，可借助图解法合理地选择电路参数，如最大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率。,图中给出了Ub不变时，RL的大小对输出信号的影响： 输入光通量变化时，负载电阻的减小会增大输出信号电流，而减小输出电压。同时负载电阻的减小会受到最大工作电流和功耗的限制。而过大的R
4、L又使输出负载线进入非线性区，使输出信号波形畸变。,图解法的应用： 1、负载电阻的影响分析：,图解法的应用： 2、偏置电压的影响分析：,图中给出了RL 不变时，Ub的大小对输出信号的影响： 当偏置电压增大时，输出信号电压幅度也随之增大，线性度得到改善，但电路的功耗随之加大，过大的偏置电压会引起光电二极管的反向击穿。,利用图解法确定输入电路的负载电阻和反向偏置电压大小时，应根据输入光通量的变化范围和输出信号的幅度要求使负载线稍高于转折点M，以便得到不失真的最大电压输出，同时保证反向偏压不大于器件的最大工作电压Umax。,由和I选择RL和Ub超过转换点M，以便有最大不失真电压输出。 同时保证Ub不
5、大于器件最大工作电压Umax,2、解析计算法：对光电器件的非线性伏安特性进行分段折线化，称为折线化伏安特性。,折线化的画法,折线化伏安特性可用下列参数确定： 转折电压U0对应于曲线转折点M处的电压值。 初始电导G0非线性区近似直线的初始斜率。 结间漏电导G线性区各平行直线的平均斜率。 光电灵敏度S单位输入光功率所引起的光电流值。,P为输入光功率 Ip为对应的光电流,折线化的分析原则： 利用折线化的伏安特性， 可将线性区内任意Q点处的电流值I表示为两个电流分量的和：,Id-为与二极管端电压U成正比，由结间漏电导形成的无光照电流（暗电流）。 Ip为与端电压无关，仅取决于输入光功率的光电流。有：,那
6、么理想的光电二极管等效电路可表示为：,折线化伏安特性的分析： 在输入光通量变化范围minmax为已知的条件下，用解析法计算输入电路的工作状态：,1、确定线性工作区域：,由最大输入光通量的伏安曲线弯曲处即可确定转折点M。相应的有转折电压U0和初始电导G0，在线段MN有关系：,由此可得：,或,2、计算负载电阻和偏置电压：,为保证最大线性输出条件，负载线和与对应的伏安曲线效点不能低于转折点M。设负载线通过M点，可得关系：,当Ub已知时，可得负载电导GL或电阻RL：,当RL已知时，可得偏置电源电压Ub为：,3、计算输出电压幅度：,在输入光通量由min变化到max时，输出电压幅度为：,由图中M和N点电流
7、值计算：,联合求解：,求得U：,3、计算输出电流幅度：,输出电流幅度：,由下式,可得：,通常 ，上式可简化为：,4、计算输出电功率：,由功率关系：,可得：,4.2.2 光伏型器件光电信号输入电路,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的方向相反对外电路形成电势，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。,光电池输出电流有下列形式：,将光电池的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：,或,1、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,
8、电路方程：,图解法分析：,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。,光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析：,如图中光通量从1增加到2时，在短路状态RL=0时，输出电流增量I=Isc2-Isc1，输出电压为0。随着RL的增大，电压增大。负载进一步增大，电压饱和，电流变小。也就是说存在一个临界电阻RM，经过RM之后，负载上电压变为饱和，输出电流逐渐减小。,当处于最佳临界负载RM时，光通量较小时，负载上输出电流和电压近似随光通量成正比增加，而当光通量较大时，输出电流和电压逐渐呈现饱和。负载越大
9、情况越明显。,另外，可以定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态（U、I、P）的影响：,由下图可见，根据选用负载电阻的数值可以把光电池的工作状态分作：短路或线性电流放大、空载电压输出、线性电压放大和功率放大四个区域。,1、负载电阻较小时，即I区间。光电池处于短路或线性电流放大，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。光电流与光通量有良好的线性关系：,和,优点：在短路状态下，器件噪声电流较低，改善信噪比，适于微弱光信号检测。同时与受光面积成正比。,2、负载电阻较大时，即IV区间。光电池处于断路或空载电压输出，实现一种非线性电压变换。光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大
10、器连接，相当于输出开路。输出电压：,优点：光电池输出电压的变化不需加偏置电源即可组成控制电路，实现光电开关作用。且较小光通量即可实现较大开路电压的变化，对弱光检测有利。但容易受温度影响，频率特性不理想。输出电压小。输出电压与受光面积的对数成正比。,通常光电池的开路电压为0.450.6V，在入射光强从零到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中简单地利用Uoc的电压变化不需加任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的优点。 此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利。 这种使用方式的频率特性不好，受温度影响也较大，这是它的不足之处。,3、在II区间，可
11、得到线性电压输出，在串联的负载电阻上得到与输入光通量近似成正比的信号电压，负载增大可提高输出电压。但超过RM 值时输出信号发生非线性畸变。,RM值的确定：,对 展开幂级数,已知IsI，要使输出电流I和输入光功率成线性关系I=S，则要求：,已知最大允许光电流IM，相应的光通为M时，可得到输出最大线性电压的负载RL应满足：,对应于max的输入光功率变化时，负载上电压信号变化为：,在线性关系要求不高情况下，可由经验数据，利用图解法简单地得到临界负载电阻RM的值和电阻上电压UM:,Uoc对应最大的输出电压。,说明：在线性关系要求不高的情况下，可以利用图解法简单地得到临界电阻Rs值。 此时，在电压轴上选
12、取临界电压Us0.6Uoc的垂直线，与对应伏安曲线相交于S点，这样也可以得到临界电阻的负载线。 此处倍数0.6是经验数据。由于临界电阻Rs上的电压Us为： UsRsIs0.6Uoc 所以，Rs值可近似计算为：Rs0.6Uoc/Ip0.6Uoc/Smax 式中，Uoc是对应max时的值，对应的输出电压的变化为： URsIp(0.6Uoc/Smax)S0.6Uoc(/max),4.2.3 可变电阻型器件光电信号输入电路,光敏电阻电路,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：以输入光功率为参量的通过原点的直线组，在一定范围内光敏电阻阻值不随外电压改变，仅取决于输入光通量或
13、光照度E。,光敏电阻的阻值表示为：,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。,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：,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：,又,所以,即有：,和,光敏电阻的两种工作状态,1）恒流偏置电路,2）恒压偏置电路,当RLR时，,负载电流与光敏电阻阻值无关，近似保持常数。表明：输出信号取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏压成正比。电路信噪比高，适于高灵敏度测量。但偏置电压高达100V以上，这给使用带来不便。通常用晶体管代替负载电阻（降低偏置电压）实现恒流偏置。
14、,选取RLR时，加在光敏电阻上的电压近似为电源电压Ub，与RL无关。,输出信号电压为：,适用于检测器本身噪声较大时。,其中：S=G是光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因。 上式表示恒压偏置的输出信号与光敏电阻值无关，仅取决于电导的相对变化。 这样，检测电路在更换光敏阻值时对电路初始状态影响不大。 这是该电路的优点。,电桥输入电路（避免可变电阻型器件受环境温度的影响常采用电桥电路）,电桥在无辐射照射时，电桥平衡条件：,输出电压Uo等于0。,电桥在有辐射照射在RT1上时，温度升高引起电阻变化可表示为：,此时电桥失去平衡，有电压输出为：,在弱辐射作用下，RR01+R1，取R1=R2=R和R01
15、=R02=R0，则：,可求得在R=R0时，U0有最大值：,4.3 光电信号检测电路的动态计算,光电检测电路接收交变光信号时，与缓变光信号相比，交变信号有更丰富的频率分量，信号微弱时还需要多级放大等。与检测电路的设计不同，在分析和设计交变光信号检测电路时，需要解决下面的动态计算问题： 1、确定检测电路的动态工作状态，使交变光信号作用下负载上能获得最小非线性失真的电信号输出。 2、使检测电路具有足够的频率响应，以能对复杂的瞬变光信号或周期光信号进行无频率失真的变换和传输。,4.3.1 光电信号输入电路的动态计算,为提供光电检测器件正常的工作条件，首先要在交变光信号输入电路中建立直流工作点。另一方面
16、要考虑后续电路的等效输入阻抗与输入电路直流负载电阻的并联。,下面分别以光电二极管和光电池为例介绍其交流检测电路的动态计算方法。,1） 光电二极管交流检测电路,交变光信号输入光照度：,交流信号视电容短路，负载为Rb和RL并联，画交流负载线，通过M点，以便充分利用线性空间。,交流负载线与E0的伏安特性交点为Q点，通过Q点图解可以得到Rb和Ub。,在三角形MHQ中，交流负载线MN的斜率GL+Gb。交流负载电流峰值为Im，有：,下面计算负载RL上（或后续电路输入阻抗）的输出电压和输出功率值。,由线段MH，有电流关系： 可得：,负载电阻RL上输出功率PL为：,上式中对RL求偏微分，计算最大功率输出下的负载电阻RL0(推导过程略)，可得：,称为阻抗匹配条件。此时负载上输出电压峰值Um0、最大输出功率有效值PLm和输出电流峰值IL0为：,下面求解最大功率输出条件的直流偏置电阻Rb0和电源电压Ub，由解析法计算，Q点的电流值由伏安特性，可知：,由负载线得：,由两式得：,另外，在电压轴上Q点处的电压UQ为：,由UQ的
