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1、光电检测电路,光电器件输入电路 弱光检测 光电检测电路的带宽和频率特性 光耦合电路 光电检测系统的噪声与抑制,光电检测电路,光电器件输入电路 弱光检测 光电检测电路的带宽和频率特性 光电检测系统的噪声与抑制 光耦合电路,光电检测电路设计要求,光电转换能力强动态响应快信号检测能力强稳定性、可靠性好,光电探测器的伏安特性,恒流源型、光伏型和可变电阻型三种基本类型 。,光电倍增管,光电二极管,光电三极管,恒流源型光电检测电路,工作电压较小的范围内呈弯曲的趋势，并且有一转折点M； 随着工作电压的升高，曲线逐渐平直； 不同输入光通量的曲线间近似平行且间距随光通量增大趋于相等（线性器件）,光电探测器的伏安
2、特性,光伏型,可变电阻型,光敏电阻 热敏电阻,光电池,光敏电阻输入电路,简单输入电路,负载电阻和偏压如何确定？,RL,Ub,负载电阻确定,光敏电阻在实际应用中，须外加电压，才能在光敏电阻输出回路中产生随光辐射强度变化的光电流。,当 RLRg 时， 表明负载电流与光敏电阻阻值无关，这种电路称为恒流偏置。 随输入光通量d的变化,负载电流的变化为,电压信噪比较高,适用于高灵敏度的测量.,负载电阻确定,当RL=Rg时， 表示负载匹配，此时光敏电阻输出的功率最大，匹配工作状态。当R对应于某光通量的光敏电阻时，输出功率当RLRg 时，恒压偏置，适用于在较高的调制频率场合。此时，光敏电阻上的电压近似等于电源
3、电压，当光通量变化，信号电压的变化为,输出信号与光敏电阻阻值无关，仅取决于电导的相对变化,偏置电压确定,光敏电阻工作电路,负载RL已确定,电源电压Ub已确定,恒流偏置,恒流偏置电路,Uw,Rg,电压灵敏度,Rg,举例1,在恒流偏置电路中，已知电源电压为12V,Rb=820,Re=3.3k,三极管放大倍率不小于80，稳压二极管的输出电压为4V,光照度为40lx时输出电压为6V,80lx时为8V。设光敏电阻在30100lx之间的值不变。求：1）输出电压为7V时的照度；2）当输出电压从6V变化到7V，求该电路的电压平均灵敏度(V/lx)。,基本工作状态不同光照下光敏电阻值电压灵敏度,恒压偏置,恒流偏
4、置电路,电压灵敏度,电压输出与光敏电阻阻值无关；与照度成正比。,无光照下，电桥平衡有光照到光敏电阻RT1上，光通量变化引起电阻的改变电桥平衡破坏，输出电压,电桥式输入电路,Ub,输出电压Uo与光敏电阻变化量成正比例,RT1,RT2,R1,R2,R1=R2=R R01=R02=R0,光电倍增管的供电电路,稳压电源 分压电阻 旁路电容 负载电阻,-Ubb,R1,RL,C1,C2,C3,直流供电，从阴极开始逐极增大，采用电阻链分压方法来供电。,光电倍增管输入电路,光通量为2 时的最大负载电阻,常用接地方式,阴极接地：暗电流小，噪声低；阳极处于正高压，会导致寄生电容增大 阳极接地：易于后接放大器；阴极
5、处于负高压，屏蔽罩不能与阴极靠得太近,电源电压的稳定度,电流增益系数,电源电压的稳定度决定了电流增益的稳定度。,分压电阻,均匀分压，即分压电阻相等，要求分压电流电阻链总电阻 不均匀分压：对于短脉冲信号，可以适当提高前几极倍增管分压，以提高阳极收集率，缩短输出脉冲的上升时间；保持总电压不变。,总的工作电压U通过分压电阻加到各相应的电极上，以形成递增电场来获得光电子的加速。,并联电容,设阳极输出脉冲电流峰值为IAm，脉宽为，设最后一级发射电子全部被阳极收集，则电子束电荷为,稳定最后几极电阻上的分压，保证输出电流按照光辐射线性变化。,举例2,设入射到PMT光敏面上的最大光通量为 ，当采用GDB-23
6、5型光电倍增管作为光电探测器时，已知其为八极的光电倍增，阴极和倍增极为SbCs，阴极灵敏度为40 。若要求入射为 时输出电压幅度不低于0.2V，取阳极电阻 ，试设计该PMT的供电电路。若供电电压稳定度为0.001%，试求PMT变换电路输出信号的稳定度最高能到多少？,供电电压 电阻链 信号稳定度 旁路电容,零偏置电路,偏置电路,太阳能电池电路,光伏探测器检测电路,光电池输入电路静态计算,光伏探测器零偏置,光电池的等效电路,因为,光电池工作状态,区，RLRs，负载电阻的变化将引起输出电流的大幅度变化，而电压输出变化很小；此时光电压与光照功率的对数成正比，为空载电压工作区域；,短路或线性电流放大,输
7、出电流与光通量有良好的线性关系。,空载电压输出,开路电压与入射光通量成对数比例关系 开路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利。,线性电压输出,负载电阻的临界条件,泰勒公式展开,实际设计中从伏安特性曲线上确定 方法：电压轴上作临界电压UM0.7UOC的垂直线，与对应的伏安曲线相交于M点，OM即为临界电阻的负载线。,线性电压输出,输出电压变化与入射光通量成线性,交变光信号探测,脉动光信号零偏压电路,Rb直流负载；RL为交流负载,假定入射光功率为正弦信号,动态计算的主要问题： 确定检测电路的动态工作状态； 检测电路的频率响应。,交变光信号 探测,光电池伏安工作状态,0,u,i,i,i0,i,
8、min 0 max,iHM,uHM,u0,Q,交流,静态,直流负载线 交流负载线,电压的峰值,获得最大输出功率的条件及输出功率（有效值）,光电池与放大三极管连接,缓慢光信号的基本变化电路,太阳能电池电路,光电二极管的基本电路,负载电阻和偏置电压为多少？,举例3,设电源电压Ub=9v,光通量在0150lm之间变化。若光通量在此范围内正弦变化，要使得输出交变电压的幅值为3V，求负载电阻大小。,回路方程,对于线段,直流负载的设计,折线化伏安特性可以用U0、G0、G和S四个基本参数表示,对于点M、N,对于线段,负载电阻和偏置电压,当已知Ub时,当已知RL=1/GL时,输出电压幅度,交变光信号输出,首先
9、要在交变光信号输入电路中建立直流工作点，再计算动态工作状态。,对于线段,对于线段,对于,i Imax I0 Imin 0,U0 Gb+GL,uHM,M H JK B,iHM,Q,F,Gb,U,G,A R,Umin,Umax, 0 0,输出功率PL为：,当,时，PL有极值,PL存在极大值,交变光信号输出,输出电压峰值UHM最大输出、功率有效值PLm和输出电流峰值Im为：,最大功率输出条件下直流偏置电阻Rb和电源电压Ub由图解法计算。,对于静态工作点对应的电流值,考虑到静态工作点Q处电压,i Imax I0 Imin 0,U0 Gb+GL,uHM,M H JK B,iHM,Q,F,Gb,U,G,A
10、 R,Umin,Umax, 0 0,光电三极管,光电三极管特性曲线：非等间隔；伏安曲线不平行 主要问题：暗电流大；温度稳定性差，并且暗电流随温度升高而增大 减小暗电流措施 电桥法 热敏电阻补偿 采用基极引出的晶体管,光电三极管,光电三极管的偏置电路,反向偏置：偏置电压与内建电场的方向相同的偏置电路为反向偏置电路 光电三极管、复合光电三极管必须进行反向偏置,光电器件与运算放大器的连接,(a) 电流放大型 (b)电压放大型 (c) 阻抗变换型,VO=Isc Rf,VO=Uoc A,VO=Vcc-Ip RL,光电器件与运算放大器的连接,零偏压电路只适合微弱光信号的检测，不适合较强辐射的探测 若要获得
11、高速响应的光电信息变换，尽量采用光生伏特器件的反向偏置电路,光照度测量,光照度定义为单位面积上光功率的大小，它是按照人眼的视觉特性来评价辐射度的大小，单位为lx。请根据光电传感器的特性选择合适的器件，并根据器件的参数设计测量范围为050000Lux的照度计，给出器件参数值和测量电路（要求电压输出05V，光电探测器S=0.45A/100lx）。,光照度测量,PD:S7686 0.45uA/lux,高速信号,高速信号,光电检测电路,光电器件输入电路 弱光检测 光电检测电路的带宽和频率特性 光电检测系统的噪声与抑制 光耦合电路,弱光检测,光信号测量中常常出现背景噪声或干扰很大而待测信号却十分微弱，几
12、乎被噪声淹没的情况。这样使得通过光电探测器转换后得到的光电信号的信噪比很小,从噪声中提取、恢复和增强被测信号,弱光检测的方法,降低噪声、改善信噪比的基本方法采用压缩检测通道带宽的方法 当噪声是随机白噪声时，检测通道的输出噪声正比于频带宽的平方根，只要压缩的带宽不影响输出就能大幅度降低噪声输出。 弱光信号处理方式： 锁相放大器、取样积分器、光子计数器,锁相放大器,锁相放大器是一种对交流信号进行相敏检波的放大器； 利用信号的频率特性和相位特点，保证噪声既要落在信号的通带之内，又要和信号的相位相同才能有响应； 利用锁相放大器能检测噪声比信号大104106倍的微弱信号。,白噪声性质, 平坦的频谱随着频带宽度不同测量电压会改变,散粒噪声 热噪声,即使对于同样的噪声，如果用带通滤波器来限制所通过的频带，那么测量所得的电压值就会不同。,为什么锁相放大器有很强的抗噪声能力？,带通滤波,即使白噪声与正弦波进行加法运算所得的信号，测量所得的电压对于频带宽度所具有的各种性质也不会有变化。所以，当带通滤波器的频带宽度变狭窄时，就会有以下结果： 想要测量的信号的电平不变； 白噪声的强度减小； 交流等频率不同的成分也当然被削弱,带通滤波器的限度,在带通滤波器中，中心频率与通带宽度的比值称作Q值，作为衡量带通滤波器的滤波尖锐程度的一项指标来使用。,锁相放大器是一种什么结构的测量仪器？,
