偏置电路和信号处理电路

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1、3.5偏置电路和信号处理电路351偏置电路类型 3.5.2光电导探测器的偏置电路3.5.3光伏探测器输出电路2015-6-24P置电路和信号处理电路f2015-6-24PN结型光伏探测器器件和光电导探测器是在 一定偏置电路状态下工作，按照使用在不同场合下, 光伏探测器的偏置电路一般有自偏置电路、零偏置 电路和反向偏置电路。光电导器件有恒流偏置电路、恒压偏置电路、 恒功率偏置电路。I 对于光伏探测器每一种偏压电路使得光伏探测 1器工作在其伏安特性曲线的不同区域，表现出不同 1的特性。2015-6-24置电路和信号处理电路2015-6-242015-6-24光照下的pn结伏安特性2015-6-24

2、2015-6-24置 偏 反正偏置口偏置（无外加偏压）2015-6-24偏置电路类型i偏置电路类型、自偏置电路自偏置电路实际上不需要外加偏压，由器件本身 在一定条件下产生的电压工作。光电池自偏置电路在光照射下，产生的光电 流I流过外电路负载电阻R产生 压降IR就是它自身的偏压。由于自偏置电路的特点， 在实际测量中很少采用自偏置 电路2015-6-24偏置电路类型二、零偏置电路光伏探测器在自偏置的情况下，若负载电阻R为 零，自偏压为零；或者光伏探测器在反偏置的情况下, 反偏电压很小或接近零。这两种情况下都属于零偏置。 对应的偏置电路都称为零偏置电路。下面介绍两种零偏置典型电路:I偏置电路类型A利

3、用运算放大器实现零偏置电路光电池的零偏置电路1 热它是直接将光电池的输出接到运算放大器的 两个输入端，以实现电流与电压的转换，即输出 电压为：U= -Isc XRfoVo=-lscRf)為GKn2015-6-24偏置电路类型B光敏电阻的零偏置电路2015-6-24偏置电路类型2015-6-24偏置电路类型光敏电阻(PVInSb)在 静态时由于探测器的反向 漏电流在探测器附加了一 个正向偏置电压，为了获 得零偏置状态，需外加反 向偏压来抵消反向漏电流 的影响。2015-6-24InSbC光敏电阻零偏置电路偏置电路类型设探测器静态时的工作电流（暗电流）ID,静态 工作电压UD,则有：这里要使探测器

4、处于零偏置状态，则取UD=O, ID=IO, 10为探测器的反向漏电流。2015-6-24偏置电路类型光伏探测器采用零偏置电路时，它的1/f噪声2015-6-24偏置电路类型最小，暗电流为零，可以获得较高的信噪比。因 此，即使性能较好的光伏探测器也常采用零偏置 电路，以免采用其它偏置电路引入噪声。光电导器件，由于用带隙能量很小的材料制 成，其性能受热激发影响较大，能承受的反向偏 压不高，常工作在零伏偏置或接近于零伏偏置的 状态。注意：零伏偏置电路只适合对微弱光辐射信 号的探测，不适合较强光辐射探测的领域。2二、反偏置电路当光伏探测器外加偏压工作时，若N区接电源的 正端，P区接电源的负端，光伏探

5、测器处在反偏置状 态，对应的电路称之为反偏置电路，光伏探测器反向偏置电路2015-6-24偏置电路类型2015-6-24偏置电路类型/tv(a)原理示意图(b)反向偏置电路2015-6-24偏置电路类型1皮向偏置电路的输出特性2015-6-242015-6-24在反向偏置电路中，流过负载申阻位的电流为:【IIp+Id输出电压:反向偏置电路输出特性曲线2015-6-24U0=Ub-IRL从右图不难看出，反 向偏置电路的的输出电压的动态范围取决于电源电1压Ub与负载电阻RL,电流 I的动态范围也与负载电 阻RL有关。B偏置电路类型FXJ输出电流、电压与辐射通量的关系反向偏置电路的输出电流与入射辐射

6、通量4) 的关系：nc在忽略暗电流时，输出电流与入射辐射通量 可简化为：吗”nc同样，反向偏置电路的输出电压与入射辐射 通量的关系为：5=5-Rl忙忙入nc偏置电路类型A基本反偏置电路以光电二极管为例，最基本的反偏置电路如图 所示，它是由三个部分组应。RL为负载电阻，假定流过光电二极管的电流为I。中，Ub为外加电压,那么，可以得到光电二极 管在反偏电压下的回路方程：式中UI为光电二极管的端电压反向偏置电路UI=Ub -IRL2015-6-24偏置电路类型B反偏压与运算放大器连接如右图，输出电压为:Uo= -IpRfb为光电二极管的输出电流； 场为放大器反馈电阻。该电路与基本反向偏置电路比 较，

7、它具有极小的负载电阻(ri), 不易出现信号失真，同时由于运 算放大器的放大作用，又能输出 致大信号。2015-6-24反偏置光电二极管与运算放大器电路0GNDI偏置电路类型C雪崩二极管的反偏置电路APD的偏置电路2015-6-242015-6-24rto ro A2015-6-242015-6-24(a)偏压可调电路(b)温度稳定偏压电路2015-6-240光电导探测器的偏置电路P=IU RP时，回路电流：这表明负载电流与光敏电阻无关，近似一个常数, 这种偏置电路称之为恒流偏置电路。L 2015-6-24光电导探测器的偏置电路晶体管恒流偏置电路由于RL很大，使光敏电阻正常工作的偏置电压需要很

8、高为了降低电源电压，通常采用晶体管作为恒Bo右图为实用中常采用的 晶体管恒流偏置电路。由于 滤波电容C和稳压管D2的作 用，晶体管基极被稳压，基 极电流lb和集电极电流lc被 亘定，光敏电阻实现了恒流2015-6-24恒压偏置电路在基本偏置电路中，若负载电阻RL比光敏电阻RP 小得多，即RLRP时，可知，RL两端电压U0,因 此光敏电阻上的电压U近似等于Ub,这种光敏电阻上 的电压保持不变的偏置称为恒压偏置。晶体管恒压偏置电路I恒压偏置电路的输出信号与光敏电阻无关，仅决定于电P为恒定值，故称为恒功率偏置电路。这种电路 的特点是负载可获得最大的功率输出。光伏探测器输出电路由于大多数光伏探测器输出

9、信号都较弱，对于它 的探测一般都需要进行放大，下面介绍三种进行信 号处理电路。零偏置IV变换输出电路4W(1)电流放大器(I-V变换电路)2015-6-249对于零偏置电流放大器，光电二极管和放大器的 两个输入端同极性相连，放大器的输入阻抗星是光 电二极管的负载电阻，可表示为：Z=7?/(l+A)式中：A是放大器的开环放大倍数；Rf是反馈电 阻，假定光电二极管短路光电流为Isc,那么放大器 输出电压与光电二极管的短路光电流成正比，即：U=lR=RfS(p电流放大器因输入阻抗低而响应速度较快，并且 大器噪声较低，信噪比高，因此电流放大器在光伏 测中广泛应用于较弱光信号的检测。2015-6*24光

10、伏探测器输出电路光伏探测器输出电路如反偏置电流放大器原理图，其光伏器件（如APD）的电流输出直接接到运算放大器反相输入端（负 端）。其输出信号电压为：UO=ISCRfO-(ISCxRr)时反偏置I V变换输出电路(2)反向偏置输出直接接电压放大的输出电路光伏器件(如光电二极管)反向偏置，输出电流Io 在负载电阻上产生电压并进行电压放大。其输出电 压为：U(f=l0 R/_x G反偏置电压放大的输出电路2015-6*242光伏探测器输出电路(3)阻抗变换型输出电路反向偏置的光电二极管或PIN光电二极管，由 于内阻很大，可以看作是理想的恒流源。且饱和光 电流和输入的光通量成正比，负载电阻较高时可以 得到较大的电压信号。II如果将反向偏置状态下的光电二极管直接接到负 载电阻上，则因为阻抗匹配不当而削弱输出信号幅 度。因此有必要设置一个阻抗变换器，把具有恒流 源性质的光电二极管的高阻抗变换成低阻抗，然后 再与负载电阻相连。如图,因而，S与入射光光阻抗变换器输出电路通量成正比。电路的输出电压S为:2015-6-24当实际的负载电阻心与放大器连接时，由于放 大器的输出阻抗较小，即则负载功率心 为：_工孔 -UR泻 企 + RJ Rl Rl可见，采用阻抗变换器可以使输出功率提高(R/RJ2 倍。这种电路的时间性能较差，但用在对信号带宽 没有特殊要求的缓变光信号检查中，可以得到很