第4章光電信號(hào)檢測(cè)電路1

1、一光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求二光電信號(hào)輸入電路的靜態(tài)計(jì)算三光電信號(hào)檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)計(jì)算四光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲五前置放大器六光電檢測(cè)電路舉例通常的光電檢測(cè)電路組成通常的光電檢測(cè)電路組成光電器件輸入電路前置放大器光電器件是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的核心器件，是溝通光學(xué)量和電子系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié)，把被測(cè)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。輸入電路是為光電器件提供正常的工作條件，進(jìn)行電參量的變換，同時(shí)完成和前置放大器的電路匹配。前置放大器將光電器件輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)匹配后置處理電路與檢測(cè)器件之間的阻抗。4.1 光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)原則：根據(jù)光電信號(hào)的性質(zhì)、強(qiáng)弱、光學(xué)的和器件的噪聲電平以及輸出電平和通頻帶等技術(shù)要求

2、來確定電路的連接形式和電路參數(shù)，保證光電器件和后續(xù)電路最佳的工作狀態(tài)。使整個(gè)檢測(cè)電路滿足下列要求：1. 靈敏的、較強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換能力：光電靈敏度(或稱傳輸系數(shù)、轉(zhuǎn)換系數(shù)、比率等)。2. 快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力：頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘?hào)的快速響應(yīng)。3. 最佳的信號(hào)檢測(cè)能力：信噪比(SNR)、等效噪聲功率(NEP)。4. 長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性和可靠性：4.2 光電信號(hào)輸入電路的靜態(tài)計(jì)算靜態(tài)計(jì)算法是對(duì)緩慢變化的光信號(hào)采用直流電路檢測(cè)時(shí)使用的設(shè)計(jì)方法，由于光電檢測(cè)器件的非線性伏安特性，所采用的方法包括非線性電路的圖解法和分段線性化的解析法。按照伏安特性的基本性質(zhì)可分為三種類型：恒流源型、光伏型和可變電阻型。下面以

3、光電二極管或光電池為線索分別介紹各種工作狀態(tài)下的電路計(jì)算方法。2/20cmmW1612840 5 10 15mAi/M2/15cmmW2/10cmmW2/5cmmWVU /1200800400040 80 120uAi/lx10000lx6000lx4000lx2000lx500VU /543210200 400 600 800 1000mAi/lm100lm75lm50lm250VU /光電倍增管光電二極管光電三極管4.2.1 恒流源型器件光電信號(hào)輸入電路在工作電壓較小時(shí)，曲線呈彎曲，存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，隨電壓增大，輸出電流變化不大，趨于恒流。與晶體管集電極特性曲線類似，可以采用晶體管放大器類

4、似的方法分析。區(qū)別在于光電流控制輸出電流，而光電流是由輸入光功率控制的。負(fù)載線與對(duì)應(yīng)輸入光通量為0時(shí)的器件的伏安特性曲線交點(diǎn)Q，即為輸入電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，當(dāng)0改變時(shí)，在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的 電壓信號(hào)輸出和 的電流信號(hào)輸出。I1、圖解計(jì)算法：利用包含非線性元件的串聯(lián)電路的圖解法對(duì)恒流源器件的輸入電路進(jìn)行計(jì)算。QobUQUIQIIUULbRU000LR1arctanoioU LbIRUIU負(fù)載線方程：UUbRLIU圖解法適用于大信號(hào)狀態(tài)下的電路分析，在大信號(hào)狀態(tài)下，可定性地看到輸出信號(hào)的波形畸變。在做光電開關(guān)情況下，可借助圖解法合理地選擇電路參數(shù)，使之能可靠地工作，同時(shí)保證不使器件超過其最大工作電

5、流、最大工作電壓和最大耗散功率。圖中給出了Ub不變時(shí)，RL的大小對(duì)輸出信號(hào)的影響：輸入光通量不變時(shí)，負(fù)載電阻的減小會(huì)增大輸出信號(hào)電流，而減小輸出電壓。同時(shí)負(fù)載電阻的減小會(huì)受到最大工作電流和功耗的限制。而過大的RL又使輸出負(fù)載線進(jìn)入非線性區(qū)，使輸出信號(hào)波形畸變。obUQ1LR000oioUM2LR3LR321LLLRRR圖解法的應(yīng)用：1、負(fù)載電阻的影響分析：圖解法的應(yīng)用：2、偏置電壓的影響分析：o0003bU2bU1bUoioU功耗限制圖中給出了RL 不變時(shí)，Ub的大小對(duì)輸出信號(hào)的影響：當(dāng)偏置電壓增大時(shí)，輸出信號(hào)電壓幅度也隨之增大，線性度得到改善，但電路的功耗隨之加大，過大的偏置電壓會(huì)引起光電二

6、極管的反向擊穿。利用圖解法確定輸入電路的負(fù)載電阻和反向偏置電壓大小時(shí)，應(yīng)根據(jù)輸入光通量的變化范圍和輸出信號(hào)的幅度要求使負(fù)載線稍高于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，以便得到不失真的最大電壓輸出，同時(shí)保證反向偏壓不大于器件的最大工作電壓Umax。2、解析計(jì)算法：對(duì)光電器件的非線性伏安特性進(jìn)行分段折線化，稱為折線化伏安特性。折線化的畫法一QMPO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdIiMUO0UGarctan0arctanG折線化的畫法二折線化的畫法QMPO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdI折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：轉(zhuǎn)折電壓U0對(duì)應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)M處的電壓值。初始電導(dǎo)G0非線性區(qū)近

7、似直線的初始斜率。結(jié)間漏電導(dǎo)G線性區(qū)各平行直線的平均斜率。光電靈敏度S單位輸入光功率所引起的光電流值。PISp光電靈敏度的表達(dá)式：P為輸入光功率Ip為對(duì)應(yīng)的光電流折線化的分析原則： 利用折線化的伏安特性， 可將線性區(qū)內(nèi)任意Q點(diǎn)處的電流值I表示為兩個(gè)電流分量的和：QMPO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdIpdQIIUfI,Id-為與二極管端電壓U成正比，由結(jié)間漏電導(dǎo)形成的無光照電流（暗電流）。Ip為與端電壓無關(guān)，僅取決于輸入光功率的光電流。有：那么理想的光電二極管等效電路可表示為：SGUIIIpdIpIpIGRg1折線化伏安特性的分析： 在輸入光通量變化范圍minmax為已知

8、的條件下，用解析法計(jì)算輸入電路的工作狀態(tài)：1、確定線性工作區(qū)域：OiM0U0U0UUbbU0arctanGGarctanNLGarctanmax 由最大輸入光通量的伏安曲線彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。相應(yīng)的有轉(zhuǎn)折電壓U0和初始電導(dǎo)G0，在線段MN有關(guān)系：max000SGUUG由此可得：GGSU0max00max0USGG或2、計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU為保證最大線性輸出條件，負(fù)載線和對(duì)應(yīng)的伏安曲線交點(diǎn)不能低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。設(shè)負(fù)載線通過M點(diǎn)，可得關(guān)系：000UGGUULb當(dāng)Ub已知時(shí)，可得負(fù)載電導(dǎo)G

9、L或電阻RL：0max011max000GSGGbbLLUSUUUGRG當(dāng)RL已知時(shí)，可得偏置電源電壓Ub為：GGGGGSULLb00max3、計(jì)算輸出電壓幅度：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU在輸入光通量由min變化到max時(shí)，輸出電壓幅度為：0maxUUU由圖中M和N點(diǎn)電流值計(jì)算：HSGUUUGbL:minmaxmaxMSGUUUGbL:max00聯(lián)合求解：LbLGGSUGUminmaxLbLGGSUGUmax0求得U：LLGGSGGSUminmax4、計(jì)算輸出電流幅度：iMNmaxUH0O0arctanGGarc

10、tanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU輸出電流幅度：UGIIILminmaxLLGGSGGSUminmax由下式可得：LLGGSUGI1minmax通常 ，上式可簡(jiǎn)化為：GGLSSIminmax5、計(jì)算輸出電功率：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU由功率關(guān)系：UIP可得：LLLGGSGUGUIP24.2.2 光伏型器件光電信號(hào)輸入電路mAi/VU /0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-0.2 -0.4-0.6-0.8光伏型器件伏安曲線等效電路光伏型器件伏安曲線如圖示，位于第四象限，器件的

11、端電壓U和電流I的方向相反，具有賦能元件的性質(zhì)。這類器件主要是光電池和光電池工作狀態(tài)下的光電二極管。pUUsIeIIT) 1(光電池輸出電流有下列形式：將光電池的伏安特性轉(zhuǎn)到第一象限，即規(guī)定電流的正方向，則伏安特性可表示為：) 1(TUUspeIII或lnpsTsIIIUUI1、光伏型器件輸入電路的形式： 無偏置型、反向偏置型和太陽(yáng)能電池充電電路ULRLRULRUUUUb2、無偏置輸入電路的靜態(tài)計(jì)算ULRpIdII電路方程：LRIU1TUUspeIII圖解法分析：負(fù)載線與給定光通量0對(duì)應(yīng)的伏安曲線的交點(diǎn)即為工作點(diǎn)Q。Q點(diǎn)對(duì)應(yīng)的U和I即為RL上的輸出電流和電壓。光通量變化時(shí)形成相應(yīng)的輸出電流變化

12、和輸出電壓變化。i0QIIULGarctanQUO等效電路光伏型器件負(fù)載電阻和光通量的影響分析：U2scI1scI1UIO12i2U0LR1R2RMRULRpIdII如圖中光通量從1增加到2時(shí)，在短路狀態(tài)RL=0時(shí)，輸出電流增量I=Isc2-Isc1，輸出電壓為0。隨著RL的增大，電壓增大。負(fù)載進(jìn)一步增大，電壓飽和，電流變小。也就是說存在一個(gè)臨界電阻RM，經(jīng)過RM之后，負(fù)載上電壓變?yōu)轱柡停敵鲭娏髦饾u減小。當(dāng)處于最佳臨界負(fù)載RM時(shí)，光通量較小時(shí)，負(fù)載上輸出電流和電壓近似隨光通量成正比增加，而當(dāng)光通量較大時(shí)，輸出電流和電壓逐漸呈現(xiàn)飽和。負(fù)載越大情況越明顯。R1R2PUIRLU、I、PRMO另外，

13、可以定量地描述負(fù)載電阻和入射光通量對(duì)電路工作狀態(tài)（U、I、P）的影響：ssLpTIIRUIUUln1TLURIspeIIIssLpLTIIRUIRUUUIPln1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMR負(fù)載電阻不同時(shí)，光電池有幾個(gè)工作狀態(tài)，如圖示1、負(fù)載電阻較小時(shí)，即I區(qū)間。光電池處于短路或線性電流放大，可實(shí)現(xiàn)電流變換。后續(xù)電流放大級(jí)可從光電池中吸取最大的輸出電流。光電流與光通量有良好的線性關(guān)系：SIIeIIIscpRURIspLTL01SI和優(yōu)點(diǎn)：在短路狀態(tài)下，器件噪聲電流較低，改善信噪比，適于微弱光信號(hào)檢測(cè)。同時(shí)與受光面積成正比。1U2scII1scIO12U

14、iIIIIIIIVU2U0LR1R2RMR2、負(fù)載電阻較大時(shí)，即IV區(qū)間。光電池處于斷路或空載電壓輸出，實(shí)現(xiàn)一種非線性電壓變換。光電池應(yīng)通過高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大器連接，相當(dāng)于輸出開路。輸出電壓：sTspTsspTocISUIIUIIIUUUlnlnln優(yōu)點(diǎn)：光電池輸出電壓的變化不需加偏置電源即可組成控制電路，實(shí)現(xiàn)光電開關(guān)作用。且較小光通量即可實(shí)現(xiàn)較大開路電壓的變化，對(duì)弱光檢測(cè)有利。但容易受溫度影響，頻率特性不理想。輸出電壓小。輸出電壓與受光面積的對(duì)數(shù)成正比。VUoc6.045.03、在II區(qū)間，可得到線性電壓輸出，在串聯(lián)的負(fù)載電阻上得到與輸入光通量近似成正比的信號(hào)電壓，負(fù)載增大可提高輸出

15、電壓。但超過RM 值時(shí)輸出信號(hào)發(fā)生非線性畸變。1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMRRM值的確定：對(duì) 展開1TLURIspeIIITLsTLUIR！IUIRSI211已知IsR時(shí)，LIULRbULR2LbLRRSUI22LbRRSURI負(fù)載電流與光敏電阻阻值無關(guān)，近似保持常數(shù)。表明：輸出信號(hào)取決于光敏電阻和負(fù)載電阻的比值，與偏壓成正比。電路信噪比高，適于高靈敏度測(cè)量。但通常RL很大，所需偏置電壓高達(dá)100V以上。通常用晶體管實(shí)現(xiàn)恒流偏置。2）恒壓偏置選取RLR時(shí)，加在光敏電阻上的電壓近似為電源電壓Ub，與R無關(guān)，這種偏置稱恒壓偏置。對(duì)響應(yīng)度要求不太高，而檢測(cè)器本身噪聲有比較大時(shí)，一般采用這種偏置電路。輸出信號(hào)電壓為：LLbLLLRRRSURIRU22LbLRSUU這種檢測(cè)電路在更換光敏電阻值時(shí)對(duì)電路初始狀態(tài)