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1、第四章第四章 光电信号处理光电信号处理4.14.1光辐射探测过程的噪声光辐射探测过程的噪声4.24.2光电探测器的偏置电路光电探测器的偏置电路4.34.3光电探测器的放大电路光电探测器的放大电路4.44.4微弱信号检测微弱信号检测4.54.5锁定放大器锁定放大器4.64.6取样积分器取样积分器4.74.7光子计数器光子计数器4.24.2 光电探测器的偏置电路光电探测器的偏置电路偏偏置置：在在探探测测器器上上加加一一定定的的偏偏流流和和偏偏压压使使探探测测器器能能在在电电状状态态正正常常工工作作，输输出出光光电电信号。信号。目的：目的：取出光电信号取出光电信号。偏置电路的设计依据：偏置电路的设计
2、依据：器件的伏安特性器件的伏安特性同同晶晶体体管管加加电电源源和和偏偏置置电电路路选选取取适适当当工工作点的情况类似。作点的情况类似。4.2.1光电导探测器（光电导探测器（PC）的偏置电路的偏置电路4.2.2光伏探测器（光伏探测器（PV）的偏置电路）的偏置电路4.2.3热释电器件的偏置电路热释电器件的偏置电路4.2.4光电倍增管的偏置电路光电倍增管的偏置电路主要内容主要内容探测器的探测器的伏安特性分三种类型伏安特性分三种类型：可变电阻型可变电阻型 光生电势型光生电势型 恒流型恒流型PC器件器件电阻型热探测器电阻型热探测器（加偏置，不分正负加偏置，不分正负） PV器件，器件，PMT（加反向偏置加
3、反向偏置） 光电池光电池（不加偏置不加偏置 ） 4.2.1 光电导探测器的偏置光电导探测器的偏置一、基本偏置电路分析一、基本偏置电路分析偏置电流：偏置电流：设光照射在探测器上，其电阻值设光照射在探测器上，其电阻值变化为变化为RS，则电流变化即信号，则电流变化即信号电流电流iS为：为：RS:光敏电阻；光敏电阻；RL：偏置电阻偏置电阻输出点输出点A的直流电压：的直流电压： 信号电压信号电压为：为： 分析分析：a)VS与与VB的关系的关系 VBVS 但太大但太大,功耗功耗Pm损坏器件损坏器件 例：化学沉淀例：化学沉淀PbS最大功耗最大功耗Pm为为0.2瓦每平方厘米瓦每平方厘米,使用时要低于比值，取使
4、用时要低于比值，取0.1瓦每平方厘米推导最大瓦每平方厘米推导最大功耗功耗Pm与与VB的关系：的关系： Ad: 探测器光敏面积探测器光敏面积,平方厘米，平方厘米，RL，RS为电阻单位，为电阻单位，VBmax为为V单位单位 b）VS与与RL的的关系关系 令上式令上式=0=0则则 时，有极大值：时，有极大值： 这时叫这时叫功率匹配功率匹配, , 信号电压最大信号电压最大。c) c) 最佳偏置条件的确定最佳偏置条件的确定 在偏置电流在偏置电流Il一定条件下一定条件下,由上式可知：由上式可知：RlVs。但实际上当负载电阻但实际上当负载电阻RL时时,为保持固定的为保持固定的Il,应该应该VB 二、光电导探
5、测器三种特殊偏置方式及其二、光电导探测器三种特殊偏置方式及其特点分析特点分析1.三种常用的偏置方式三种常用的偏置方式1）恒流偏置）恒流偏置当选定当选定RLRs ，则则 与与Rs无关。无关。 即在工作过程中流过探测器的电流是一即在工作过程中流过探测器的电流是一恒定电流恒定电流。 当选当选RLG，上式简化为上式简化为I=SI=S5 5）计算输出功率计算输出功率 （二）（二）光生电势型探测电路的静态计算光生电势型探测电路的静态计算 Id ：与温度有关的二极管与温度有关的二极管结电流结电流 光电流光电流 开路电压开路电压 电流电压特性方程电流电压特性方程 短路电流短路电流 当当有有则：则：得：得：室温
6、时室温时 T=300K T=300K ，则则 ：利用上式，可在已知利用上式，可在已知、V Vococ时，计算另一时，计算另一 下的下的 V Vococ 1.1.无偏置的光电池电路：无偏置的光电池电路： 由由伏伏安安曲曲线线，对对于于给给定定的的0 0，只只要要选选定定R RL L，工工作作点点就就能能由由负负载载线线与与光光电电池池相相应应伏伏安安曲曲线线的的交交点点决决定定。该该点的点的I IQ Q和和V VQ Q即为即为R RL L上的输出值。上的输出值。由图知：对应相同的由图知：对应相同的=1 12 2，当当R RL L R R RLSLS时，呈非线性，在检测电路中往往希望线性时，呈非线
7、性，在检测电路中往往希望线性。 计算临界电阻计算临界电阻R RLSLS 由给定的由给定的maxmax，利用利用算出算出V VOCOC。 取取交于交于S S点，得到临界负载点，得到临界负载R RLSLS, ,即临界电阻即临界电阻R RLSLS上的上的V Vmaxmax为为则则 : :线性区工作线性区工作分两种情况：分两种情况：1 1）电电流流放放大大：要要求求RL与与后后级级放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗尽尽量量小小，使使负负载载线线靠靠近近电电流流轴轴以以得得到到最最大大的的电电流流输输出出。输输出出电电流流变变为为ISC和和有有良良好好的的线线性性关关系系 2 2）电电压压放放大大：在在保
8、保持持良良好好线线性性情情况况下下，有有最最大大的的电电压压输输出出，负负载载线线可可接接近近临临界界负负载载线线，则则输出电压为输出电压为: : 非非线线性性区区: :当当RL RLS时时，输输入入电电路路处处于于非非线线性性区区。这这时时，除除在在光光电电流流较较小小范范围围内内有有一一很很窄窄的的线线性性区区外外，V与与的的对对数数成成正正比比。对对于于较较小小的的，开开始始的的信信号号电电压压输输出出幅幅度度较较大大。这这一一点点对对于于探探测测弱信号特别有利弱信号特别有利。 例例:光光电电池池在在光光照照度度为为100lx时时，开开路路电电压压为为VOC=180mV, ISC=80A
9、 ，求求在在由由50lx增增加加到到200lx时时，为为保保证证线线性性输输出出所所需需最最佳佳负负载载电电阻阻值值和输出电压变化量。和输出电压变化量。 解：（解：（1）计算）计算200lx下的开路电压下的开路电压 （2）计算线性区域内光电池的电流响应度）计算线性区域内光电池的电流响应度 （3）计算无偏压时最佳电阻和输出电压变化量）计算无偏压时最佳电阻和输出电压变化量 四、四、PV器件动态工作状态设计器件动态工作状态设计交交变变光光信信号号是是指指快快速速变变化化或或各各类类型型调调制制光信号光信号。在在分分析析和和设设计计交交变变光光信信号号探探测测电电路路时时应应考虑到下述几个问题：考虑到
10、下述几个问题：1.确定探测电路确定探测电路动态工作点动态工作点。2.确定光信号频率不失真的确定光信号频率不失真的动态响应动态响应。3.满足信号频率要求下的满足信号频率要求下的信噪比信噪比。 输入电路动态工作点的计算输入电路动态工作点的计算交变电路中交变电路中首先建立直流工作点首先建立直流工作点以获得以获得最大的输出。最大的输出。另一方面输入电路与后续电路通常由阻另一方面输入电路与后续电路通常由阻容连接等多种方式实现容连接等多种方式实现耦合耦合。后续电路的等效输入阻抗将和输入的直后续电路的等效输入阻抗将和输入的直流负载电阻相并联组成流负载电阻相并联组成交流负载交流负载。在设计和分析输入电路时，这
11、是不同于在设计和分析输入电路时，这是不同于前述静态工作点计算的主要区别之一。前述静态工作点计算的主要区别之一。 1.光电二极管交流探测电路光电二极管交流探测电路如图为反偏压如图为反偏压PD的交变光探的交变光探测基本电路。测基本电路。1 1）计计算算在在已已知知偏偏压压V Vb b和和光光照照度度E E时时，负负载载电电阻阻R RL L应应取取多大多大才能获得最大功率和线性电压输出。才能获得最大功率和线性电压输出。 设入射照度变化：设入射照度变化： 光照度变化范围光照度变化范围: : 在在信号同频带范围信号同频带范围内，耦合电容内，耦合电容C C可以认为是短路。可以认为是短路。等效交流负载电阻：
12、等效交流负载电阻：假定假定交流负载线交流负载线为为MN，它过它过M点，斜率由点，斜率由RL/Rb决定。交流负载线与光照度决定。交流负载线与光照度E=E0对应的对应的伏安特性相交于伏安特性相交于Q点，则过点，则过Q点的斜率为点的斜率为Gb的直线即为的直线即为直流负载线直流负载线。 为了充分利用器件为了充分利用器件的线性区间，对应的线性区间，对应的负载线应通过特的负载线应通过特性曲线的转折点性曲线的转折点M M。2 2）计算）计算R RL L上的输出功率上的输出功率P PL L和电压值和电压值V Vm m交流负载上交流负载上的输出功率为的输出功率为: :Vm 、Im与与Em对应的幅值对应的幅值负载
13、电阻负载电阻R RL L上上输出功率输出功率Vm是是RL上的电压值。上的电压值。 在在MHQMHQ中，交流负载线斜率为：中，交流负载线斜率为： 由图中几何关系得由图中几何关系得: 得得: : 将将P PL L对对G GL L求偏微分，得最大功率输出条件为求偏微分，得最大功率输出条件为: : 则有：则有：当已知电源电压当已知电源电压V Vb b时，时，根据动态工作点和静态根据动态工作点和静态工作点重合于工作点重合于Q Q点的条件点的条件，可计算出最大功率，可计算出最大功率输出条件下偏置电阻输出条件下偏置电阻R Rb b。中：中：且且比较可得比较可得 ：在最大功率输出条件下，根据图中几何关系有在最
14、大功率输出条件下，根据图中几何关系有比较两式得，在比较两式得，在最大功率输出下的偏置电阻值最大功率输出下的偏置电阻值或或2.光电池交流检测电路光电池交流检测电路 静态工作点：静态工作点： 通过原点作直流负载线通过原点作直流负载线与与E=EE=E0 0交点交点Q Q交流负载线交流负载线: : 过过Q Q点，斜率为点，斜率为: : 与最大输入光功率与最大输入光功率E E0 0+Em +Em 对应的光电池曲线相交于对应的光电池曲线相交于M M点。点。 M M点的电压点的电压V VM M应满足应满足 : : V Vm m是与正弦输入光照度对应的输出电压峰值是与正弦输入光照度对应的输出电压峰值. . 由
15、图可知由图可知: : 输出输出负载负载R RL L上的功率值上的功率值P PL L为为: : 将将P PL L对对G GL L求微分，可得求微分，可得最大功率输出条件最大功率输出条件： 得得最大功率输出最大功率输出时时 : : 由静态工作点由静态工作点Q的状态，可计算的状态，可计算最大功率输出最大功率输出下的偏置电阻下的偏置电阻Rb 。在在Q点处有点处有 ：在最大功率输出条件下由（在最大功率输出条件下由（5）式有）式有 ：而而 得得 或或 例例.硅光电池硅光电池2CR31。在在100lx光照下光照下 VOC=400mV, ISC=30A, 若输入光照度若输入光照度 求：最大功率线性输出时求：最
16、大功率线性输出时 画出等效电路：画出等效电路： 解：计算解：计算VM 最大照度：最大照度： 计算直流偏置电阻计算直流偏置电阻R Rb b计算输出电信号：计算输出电信号： 4.2.3热释电器件实用电路热释电器件实用电路热释电探测器热释电探测器工作时不需外加偏置电压工作时不需外加偏置电压。将热释电。将热释电探测器两端接上负载电阻，让热释电电流探测器两端接上负载电阻，让热释电电流(属于位移电属于位移电流的性质流的性质)流过负载电阻，即可取出信号。流过负载电阻，即可取出信号。热释电探测器可视为一个热释电探测器可视为一个容性元件容性元件，其电阻，其电阻Rd约为约为1013，其电容视热释电材料的电容率而定
17、，通常为，其电容视热释电材料的电容率而定，通常为数十皮法。对于这种高阻的容性元件，数十皮法。对于这种高阻的容性元件，其负载电阻值其负载电阻值必须很大才能与探测器的内阻相匹配必须很大才能与探测器的内阻相匹配。因此，从负载。因此，从负载电阻上取出的信号必须经阻抗变换后再耦合至通常的电阻上取出的信号必须经阻抗变换后再耦合至通常的放大电路。放大电路。阻抗变常用具有极高输入阻抗的阻抗变常用具有极高输入阻抗的场效应管源场效应管源极输出器来实观极输出器来实观。还可以用还可以用集成运算放大器组成的电流集成运算放大器组成的电流电压电压变换电路变换电路来获得光电信号电压，当然所用的集来获得光电信号电压，当然所用的
18、集成运算放大器应具有很高的输入电阻，可采用成运算放大器应具有很高的输入电阻，可采用输入级为场效应管的集成运放。输入级为场效应管的集成运放。热释电探测器产生的信号电流直接流经热释电探测器产生的信号电流直接流经Rf转换转换成信号电压输出，电容成信号电压输出，电容C用来限制电路的带宽，用来限制电路的带宽，提高输出的信噪比。提高输出的信噪比。目前，制造厂商出售的热择电探测器通常都与目前，制造厂商出售的热择电探测器通常都与场效应管阻抗变换器封装在一起，性能稳定可场效应管阻抗变换器封装在一起，性能稳定可靠，使用非常方便。靠，使用非常方便。4.2.4光电倍增管偏置电路光电倍增管偏置电路光电倍增管的光电倍增管
19、的产品说明书上一般都标明电阻产品说明书上一般都标明电阻分压链中各电阻的具体数值分压链中各电阻的具体数值，或者给出各分压，或者给出各分压电阻阻值间的倍数关系。电阻阻值间的倍数关系。分压电阻链的设计原则分压电阻链的设计原则1.适当增大第一倍增级的增益，即使适当增大第一倍增级的增益，即使阴极与第阴极与第一倍增极之间的电压适当高一些一倍增极之间的电压适当高一些。2.中间倍增级的极间电压中间倍增级的极间电压可根据总增益的要求可根据总增益的要求来选取，来选取，一般采用均匀分压的方式一般采用均匀分压的方式，即中间各，即中间各倍增级的分压电阻阻值相等。倍增级的分压电阻阻值相等。3.在电流信号较大时，可能在最后
20、两个倍增级之间由在电流信号较大时，可能在最后两个倍增级之间由于空间电荷的影响而产生饱和的现象。这时，于空间电荷的影响而产生饱和的现象。这时，应适当应适当加大最后两级或最后三级的极间电压加大最后两级或最后三级的极间电压，以避免空间电，以避免空间电荷的影响。荷的影响。4.末级倍增极与阳极之间的电压选择应注意不要由于末级倍增极与阳极之间的电压选择应注意不要由于阳极负载的压降而影响阳极收集电子的能力阳极负载的压降而影响阳极收集电子的能力。在弱光。在弱光探测时，探测时，为了提高灵敏度，有时使最后一个电阻的阻为了提高灵敏度，有时使最后一个电阻的阻值取得小一些值取得小一些(例如取为其它分压电阻阻值的一半例如取为其它分压电阻阻值的一半)。5.在脉冲大电流在脉冲大电流(100mA以上以上)运用时，最后几个倍增极运用时，最后几个倍增极的脉冲电流很大，相应的分压电阻上的压降在脉冲期的脉冲电流很大，相应的分压电阻上的压降在脉冲期间将产生明显的突变而影响极间电位的分布。这时，间将产生明显的突变而影响极间电位的分布。这时，常常常常需要在最后三级的分压电阻上并联储能电容需要在最后三级的分压电阻上并联储能电容。
