光電探測器的偏置電路

1、 第四章第四章 光電信號處理光電信號處理 華中科技大學(xué)華中科技大學(xué) 第四章第四章 光電信號處理光電信號處理4.1.1 探測器伏安特性回顧及基本概念探測器伏安特性回顧及基本概念4.1.2 可變電阻型探測器的偏置和設(shè)計可變電阻型探測器的偏置和設(shè)計4.1.3 恒流源型探測器的偏置和設(shè)計恒流源型探測器的偏置和設(shè)計 4.1.4 光生電勢型探測器的偏置和設(shè)計光生電勢型探測器的偏置和設(shè)計4.1 光電探測器的偏置電路光電探測器的偏置電路4.1.1 探測器的伏安特性回顧及基本探測器的伏安特性回顧及基本概念可變電阻型可變電阻型 光生電勢型光生電勢型 恒流型恒流型PC器件器件電阻型熱探測器電阻型熱探測器（加偏置，不

2、分正負(fù)）（加偏置，不分正負(fù)） PV器件，器件，PMT（加反向偏置）（加反向偏置） 光電池光電池（不加偏置（不加偏置 ） 一、探測器的伏安特性一、探測器的伏安特性USUgIgp陽極與末極倍增極間的電壓陽極與末極倍增極間的電壓/VI/Ace(a)(b)ic / mA100123456uCE / VmW / cm21. 1. 靜態(tài)和動態(tài)靜態(tài)和動態(tài)二二. . 基本概念基本概念 電路中直流信號和交流信號是同時存在的，為電路中直流信號和交流信號是同時存在的，為了分析研究方便，將兩種信號對電路的作用分開討了分析研究方便，將兩種信號對電路的作用分開討論，即分為直流通路和交流通路。論，即分為直流通路和交流通路。

3、直流通路直流通路:在直流電源作用下直流電流流過的通路，在直流電源作用下直流電流流過的通路，即靜態(tài)電流通路。主要用于求解靜態(tài)工作點。即靜態(tài)電流通路。主要用于求解靜態(tài)工作點。直流通路的確定方法直流通路的確定方法:(a)將電容開路；將電容開路；(b)將電感短路，忽略內(nèi)阻；將電感短路，忽略內(nèi)阻；(c)信號源短路，保留內(nèi)阻。信號源短路，保留內(nèi)阻。2. 2. 直流和交流通路直流和交流通路 交流通路交流通路: 在輸入信號作用下交流電流流過的通路，在輸入信號作用下交流電流流過的通路，即動態(tài)電流通路。主要用于確定電路的動態(tài)參數(shù)。即動態(tài)電流通路。主要用于確定電路的動態(tài)參數(shù)。交流通路的確定方法交流通路的確定方法:(

4、a)將電容視為短路；將電容視為短路；(b)將電感視為開路；將電感視為開路；(c)將直流電源視為短路。將直流電源視為短路。(小內(nèi)阻小內(nèi)阻)信號的不同分量可以分別在不同的通路中分析。信號的不同分量可以分別在不同的通路中分析。在分析電路時，應(yīng)遵循在分析電路時，應(yīng)遵循“先靜態(tài)，后動態(tài)先靜態(tài)，后動態(tài)”的原則，的原則，求解靜態(tài)工作點求解靜態(tài)工作點Q時應(yīng)用直流通路，求解動態(tài)參數(shù)時應(yīng)用直流通路，求解動態(tài)參數(shù)時應(yīng)用交流通路時應(yīng)用交流通路，兩種通路必須分清，不可混淆。，兩種通路必須分清，不可混淆。RC耦合共射放大電路耦合共射放大電路開路開路開路開路RB+ECRCC1C2T直流通道直流通道RB+ECRC利用上述原則

5、，阻容耦合共射放大電路的直、交流通路利用上述原則，阻容耦合共射放大電路的直、交流通路分別為分別為:對交流信號對交流信號(輸入信號輸入信號ui)短路短路短路短路置零置零RB+ECRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路交流通路4.1.2 可變電阻型探測器的偏置和設(shè)計可變電阻型探測器的偏置和設(shè)計dR：探測器電阻：探測器電阻LR：偏置電阻（或負(fù)載電阻）：偏置電阻（或負(fù)載電阻）一、基本偏置的一、基本偏置的靜態(tài)靜態(tài)設(shè)計設(shè)計1. 圖解法圖解法LBRV /BVVIOLLBRIVVLLBRIVV負(fù)載回路方程負(fù)載回路方程 ggpLVSEVSVgI伏安曲線伏安曲線 負(fù)載線負(fù)載線 伏安特性伏安特性 V2. 解析法

6、解析法LdBLRRVI偏置電流偏置電流LdLBALRRRVVV輸出點電壓輸出點電壓222)()(LdgdBLddBLRRSRVRRdRVdIILLdgdBLRRRSRVRIV22)(222)(LddBdLmRRRVRIP光敏電阻功耗光敏電阻功耗入射輻射變化時，偏置電阻入射輻射變化時，偏置電阻RL兩端的輸出信號電流、電兩端的輸出信號電流、電壓變化為壓變化為 ？電路參數(shù)確定后，輸出信號變化與入射輻射量的變化成線性關(guān)系。電路參數(shù)確定后，輸出信號變化與入射輻射量的變化成線性關(guān)系。 gSG 設(shè)入射于光敏電阻的輻射為調(diào)制輻射正弦，ttmsin)(0RLRdipCdVL等效微變電路基本偏置電路V二、基本偏置

7、的動態(tài)設(shè)計二、基本偏置的動態(tài)設(shè)計BVOtVStimgp sin)(0 輸出的交流部分電流LddLLdLddmgLddmgLRRRRRRRRCtVSRRCtVStV 2/100)(1 sin)/(sin)( 輸出的交流部分電壓m0m00交流負(fù)載線交流負(fù)載線檢測微弱信號時需考慮器件的固有噪聲：檢測微弱信號時需考慮器件的固有噪聲：熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲及熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲及/f噪聲噪聲光敏電阻若接收調(diào)制輻射，其噪聲的等效電路如圖所示ipingrintinfRLRdCd考慮噪聲時的噪聲等效電路4.1.3 恒流源型探測器的偏置和設(shè)計恒流源型探測器的偏置和設(shè)計（光電二極管）（光電二極管）參考：孫培懋，光電

8、技術(shù) 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)，第三版VIRVbbbbRVVI/ )(PDbVbRLRCn 負(fù)載線的斜率負(fù)載線的斜率：1/Rb。bVV bbRVI/負(fù)載線和靜態(tài)工作時所對負(fù)載線和靜態(tài)工作時所對應(yīng)的伏安特性曲線的交點應(yīng)的伏安特性曲線的交點Q即為輸入電路的靜態(tài)工即為輸入電路的靜態(tài)工作點。作點。bbRVVI/ )( 由圖可知：在一定偏壓下，隨由圖可知：在一定偏壓下，隨Rb增大，輸出增大，輸出信號電壓范圍變大，但過拐點信號電壓范圍變大，但過拐點M M后，信號會產(chǎn)后，信號會產(chǎn)生畸變。生畸變。 M （3）參數(shù)分析（）參數(shù)分析（ Rb和和Vb ） Rb影響影響 M1bV2bV3bV功耗限制VI000 Vb影響

9、M 1bV2bV3bV功耗限制VI000M WA /4 . 0思思 考考 題題bVbR2DUMMV0VbVVI21021(1).(1).為保證為保證2DU2DU工作于線性區(qū)且工作于線性區(qū)且 R Rb b最大，過拐點作負(fù)載線，則最大，過拐點作負(fù)載線，則: :(2).(2).輸出電壓輸出電壓 : :kVVIVVRMbMbb125101004 . 0101542max2VRIRVbb5 . 01012510104 . 036maxmax0tEEEmsin0PDbVbRLRCPDbVbRLRCVIRVbbbbIRVVVtEEEmsin0QbbIRVVPDbVbRLRCPDbVbRLRCVtEEEmsi

10、n0在信號通頻帶范圍內(nèi)，耦合電容在信號通頻帶范圍內(nèi)，耦合電容C可以認(rèn)為是短路?？梢哉J(rèn)為是短路。 交流負(fù)載線與光照度交流負(fù)載線與光照度E=E0對應(yīng)的伏安特性相交于對應(yīng)的伏安特性相交于Q點。點。 交流負(fù)載線斜率由交流負(fù)載線斜率由RL/Rb決定，同時為了充分利用器件的線性決定，同時為了充分利用器件的線性區(qū)間（使輸出信號最大），對應(yīng)的交流負(fù)載線應(yīng)通過特性曲線區(qū)間（使輸出信號最大），對應(yīng)的交流負(fù)載線應(yīng)通過特性曲線的轉(zhuǎn)折點的轉(zhuǎn)折點M。設(shè)光照度變化：設(shè)光照度變化： 則光照度變化范圍則光照度變化范圍: : 等效交流負(fù)載電阻：等效交流負(fù)載電阻：tEEEmsin0mEE 0LbRR /QM(VM)VQVb/RbI

11、IQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im22221212121bLmELmLmLmmLmLGGESGVGVIVIPbLmEmGGESVmEmESIbLmmGGIVmLLmmLVGRVI/QM(VM)VQVb/RbIIQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im將將PL對對GL求偏微分，得最大功率輸出條件為求偏微分，得最大功率輸出條件為: : 22bLmELLGGESGPbLGGbmELGESV2max22max8)()2(2bmEbmEbLGESGESGPmELLaxLmESVPI21/2maxmax電流由負(fù)載和偏電流由負(fù)載和偏置電阻均分置電阻均分大三角中大三角中0)(ESGVVIEbQbQ

12、或)(2)2(00MbmEbVVEESG)2()(200EESVVRmEMbb 當(dāng)已知電源電壓Vb時，可計算出偏置電阻Rb。QM(VM)VQVb/RbIIQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im小三角中小三角中mEbMQESGVV2)(高頻短路高頻短路列出電路的回路方程：列出電路的回路方程：SEiiiibLcgLjbLbLcgVcjGGgiiiijGGgSEGGgcjGGgSEcjGGgSEVbLbLjbLjbLL1)(1)(基本電路基本電路微變等效電路微變等效電路SEtEEEmsin0jRSEjGGSEVLbLL121)(jLcR2jLhccRf121jGGgSEGGgcjGGgSEcjG

13、GgSEVbLbLjbLjbLL1)(1)(jRSEVbL1jbcR jbhccRf2121jGGgSEGGgcjGGgSEcjGGgSEVbLbLjbLjbLL1)(1)(jRSEVLL1jLcR jLhccRf2121jGGgSEGGgcjGGgSEcjGGgSEVbLbLjbLjbLL1)(1)(jLhccRf121jbhccRf2121jLhccRf2121比較比較為得到足夠的為得到足夠的信號功率和電信號功率和電壓，壓，RL和和Rb要要大，從而降低大，從而降低高頻截止頻率，高頻截止頻率，使通頻帶寬度使通頻帶寬度降低。降低。jRSEVbL1 jRSEVLL 12jRSEVLL1lm510

14、44.1.4 光生電勢型探測器的偏置和設(shè)計光生電勢型探測器的偏置和設(shè)計（光電池）（光電池）pIdII光電池等效電路LRVLIRV 流過探測器的總電流：流過探測器的總電流： I=IP-Id（未考慮表（未考慮表面漏電流）面漏電流）1. 基本電路基本電路2. 回路方程回路方程)1(/0 kTqVdeII其中其中 由伏安曲線，對于給定的由伏安曲線，對于給定的0，只要選定，只要選定RL，工作點，工作點Q就就能由負(fù)載線與光電池相應(yīng)伏安曲線的交點決定。該點的能由負(fù)載線與光電池相應(yīng)伏安曲線的交點決定。該點的IQ和和VQ即為即為RL上的輸出值。上的輸出值。相對相對0的光通量增量的光通量增量將形成將形成對應(yīng)的電流

15、變化對應(yīng)的電流變化I和和V。 3. 確定直流負(fù)載線確定直流負(fù)載線IVLsRQQV光電池伏安曲線102LsLRR LsLRRLGtg11V2V 由圖知：對確定的電阻由圖知：對確定的電阻RL（以（以RLs為例）為例） ，當(dāng)輸入光通量較小時，負(fù)載上的輸出電壓和電流隨光通量成當(dāng)輸入光通量較小時，負(fù)載上的輸出電壓和電流隨光通量成正比例增加；正比例增加；當(dāng)入射光通量較大時，輸出電壓和電流呈飽和狀態(tài)（非線當(dāng)入射光通量較大時，輸出電壓和電流呈飽和狀態(tài)（非線性）。電阻越大越明顯。性）。電阻越大越明顯。IVLsRQQV光電池伏安曲線102LsLRR LsLRRLGtg11V2V 由圖知：對應(yīng)相同的由圖知：對應(yīng)相同

16、的=12， 當(dāng)當(dāng)RL RLS時，呈非線性（電壓飽和），在檢測電路中往往希望時，呈非線性（電壓飽和），在檢測電路中往往希望線性。線性。VPIV/I/PRLoRLs（c）) 1(exp0TLpVIRIII) 1/ln(0IRVIVVLpT)1/ln(02 IRVIRVVRVPLpLTL（c）SIUIRIIIpRTLpSCL00) 1(expSIppII有則：則：0lnlnIVIVVTTpOC0lnlnIVIVVTpTOC00000lnln) 1ln() 1/ln(ISVIIVIIVIRVIVVTpTpTILpTOC 利用上式，可在已知利用上式，可在已知、V Vococ時，時，計算另一計算另一下的下

17、的 V Vococ lnTOCVVVOC相減相減由給定的max，取 與伏安特性曲線交于與伏安特性曲線交于S S點，得到臨界負(fù)載點，得到臨界負(fù)載R RLSLS, ,即臨界電阻即臨界電阻R RLSLS上的上的V Vs s為為max000lnln) 1ln(ISVIIVIIVVTpTpTOCocsVV6 . 0max6 . 06 . 0SVIVRocpocLsmaxmax6 . 06 . 0ococLspLsVSSVSRIRV對應(yīng)的輸出電壓變化為：對應(yīng)的輸出電壓變化為：pLsocsIRVV6 . 0IP 電壓放大：電壓放大：在保持良好線性情況下，有最在保持良好線性情況下，有最大的電壓輸出，負(fù)載線可接

18、近臨界負(fù)載線，大的電壓輸出，負(fù)載線可接近臨界負(fù)載線，則輸出電壓為則輸出電壓為: : SISRIRVLspLsSIUIRIIIpRTLpSCL00) 1(exp解：（1）計算200lx下的開路電壓 mVmVVVococ200100200ln26180ln)(26（2）計算線性區(qū)域內(nèi)光電池的電流響應(yīng)度 lxAEIsc/8 . 0（3）計算無偏壓時最佳電阻和輸出電壓變化量 750) /(6 . 0EVRocLmVRVL90750)50200(8 . 0bbVIRV回路方程回路方程Mmax26 . 0SVVRocbLkSVVRocbL6 . 22008 . 012. 03 . 06 . 0maxmVR

19、SVL3102600)50200(8 . 0輸入光照度為：輸入光照度為：tEEEmsin0直流通路直流通路VIbIRV 回路方程回路方程靜態(tài)工作點：通過原點作直流負(fù)載線，與靜態(tài)工作點：通過原點作直流負(fù)載線，與E=E0交點交點Q，斜率，斜率 bG交流通路交流通路VQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 0交流負(fù)載線：過Q點，斜率與最大輸入光功率E0+Em 對應(yīng)的曲線相交于M點。 M點的電壓VM應(yīng)滿足：Vm是與正弦輸入光照度對應(yīng)的輸出電壓峰值. LbGG ocmQMVVVV6 . 0VQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 0由圖可知由圖可知: 輸出負(fù)載輸出負(fù)載R RL L上的功率值上的功率值P PL L為為: : LbmELbmmGGESGGIV22221bLmELmLLGGESGVGPmLLmLVGRVI/將將PL對對GL求微分，可得最大功率輸出條件：求微分，可得最大功率輸出條件： bLGG 2max8)(bmELGESPbmELGESV2maxmELLLmE