光電檢測(cè)技術(shù)復(fù)習(xí)課件

光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力最佳的信號(hào)檢測(cè)能力長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性和可靠性根據(jù)這些要求，檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)通常包括的步驟為：

電路靜態(tài)計(jì)算、電路動(dòng)態(tài)計(jì)算和噪聲估算。光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力根據(jù)這些要求，檢測(cè)電1光電信號(hào)輸入電路的靜態(tài)計(jì)算對(duì)于緩慢變化的光信號(hào)通常采用直流電路進(jìn)行檢測(cè)。直流電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于確定電路的靜態(tài)工作狀態(tài)，即進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算。光電信號(hào)輸入電路的靜態(tài)計(jì)算對(duì)于緩慢變化的光信號(hào)通常采用直流電2恒流源型器件光信號(hào)輸入電路4－4伏安特性的分段折線化和微變等效電路a)折線化一

b)折線化二

c)等效電路恒流源型器件光信號(hào)輸入電路4－4伏安特性的分段折線化和微變3折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：

a）轉(zhuǎn)折電壓Uo：對(duì)應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)M處的電壓值。

b）初始電導(dǎo)Go：非線性區(qū)近似直線的初始斜率。

c）結(jié)間漏電導(dǎo)G：線性區(qū)內(nèi)各平行直線的平均斜率。

d）光電靈敏度S：?jiǎn)挝惠斎牍夤β仕鸬墓怆娏髦?。設(shè)輸入光功率為P，對(duì)應(yīng)的光電流為Ip，則有

S＝Ip/P式中的光功率P可以是光通量Φ，也可以是光照度E。光通量和照度之間的關(guān)系為

Φ＝AE式中，A為光敏面受光面積。折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：4在輸入光通量變化范圍Φmin～Φmax為已知的條件下，用解析法計(jì)算輸入電路的工作狀態(tài)可按下列步驟進(jìn)行。1.確定線性工作區(qū)域在線段MN上有關(guān)系

G0U0＝GU0+SΦmax

由此可解得

U0＝SΦmax/(G0-G)

或G0＝G+SΦmax/U0上式給出了折線化伏安特性四個(gè)基本參數(shù)U0、G0、G和S間的關(guān)系。4－5用解析法計(jì)算輸入電路a)確定線性區(qū)

b)計(jì)算輸出信號(hào)在輸入光通量變化范圍Φmin～Φmax為已知的條件下，用解析52.計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓為保證最大線性輸出條件，負(fù)載線和與Φmax對(duì)應(yīng)的曲線的交點(diǎn)不能低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。設(shè)負(fù)載線通過(guò)M點(diǎn)，此時(shí)由上圖a中的圖示關(guān)系可得：(Ub-U0)GL＝G0U0當(dāng)已知Ub時(shí)，

GL＝G0·U0/(Ub-U0)＝SΦmax/[Ub(1-G/G0)-SΦmax/G0)]

當(dāng)RL＝1/GL已知時(shí)，Ub＝SΦmax(GL+G0)/GL(G0-G)2.計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓為保證最大線性輸出條件，63計(jì)算輸出電壓幅度

由上圖b，當(dāng)輸入光通量由Φmin變化到Φmax時(shí)，輸出電壓幅度為ΔU＝Umax-U0，其中Umax和U0可由圖中M和H點(diǎn)的電流值計(jì)算得到

在H點(diǎn)：GL(Ub-Umax)=GUmax+SΦmin在M點(diǎn)：GL(Ub-U0)=GU0+SΦmax

解上二式得

Umax＝(GLUb-SΦmin)/(G+GL)

U0＝(GLUb-SΦmax)/(G+GL)

所以

ΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(G+GL)＝S·ΔΦ/(G+GL)上式表明輸出電壓幅度與輸入光通量的增量和光電靈敏度成正比，與結(jié)間漏電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)成反比。3計(jì)算輸出電壓幅度74計(jì)算輸出電流幅度

由上圖b，輸出電流幅度為：

ΔI＝Imax-Imin＝ΔUGL

可得

ΔI＝GLΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(1+G/GL)

通常GL>>G，上式可簡(jiǎn)化為

ΔI＝S(Φmax-Φmin)＝SΔΦ5計(jì)算輸出電功率

由功率關(guān)系P=ΔIΔU可得

P＝GL(ΔU)2＝GL[SΔΦ/(G+GL)]24計(jì)算輸出電流幅度8光伏型器體光電信號(hào)輸入電路根據(jù)所選負(fù)載電阻的數(shù)值，光電池的工作狀態(tài)可分為以下幾種：（1）短路或線性電流放大：要求：負(fù)載電阻或后續(xù)放大電路的輸入阻抗盡可能小。（2）空載電壓輸出要求：此時(shí)光電池應(yīng)通過(guò)高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大電路連接，相當(dāng)于輸出開路。（3）線性電壓輸出這種工作狀態(tài)在串聯(lián)的負(fù)載電阻上能得到與輸入光通量近似成正比的信號(hào)電壓，負(fù)載電阻增大有助于提高輸出電壓。但當(dāng)增大到一定的臨界值時(shí)，輸出信號(hào)開始發(fā)生非線性畸變。

光伏型器體光電信號(hào)輸入電路（1）短路或線性電流放大：（2）空9可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計(jì)算恒流偏置：負(fù)載電流與光敏電阻值無(wú)關(guān)，近似保持常數(shù)。這種電路稱作恒流偏置電路。

輸出信號(hào)電流取決于光敏電阻和負(fù)載電阻的比值，與偏置電壓成正比。恒壓偏置：光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱作恒壓偏置。

恒壓偏置的輸出信號(hào)與光敏電阻值無(wú)關(guān)，僅取決于電導(dǎo)的相對(duì)變化，可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計(jì)算恒流偏置：負(fù)載電流與光敏10光電檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

在分析和設(shè)計(jì)交變光信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)，需要解決下述幾項(xiàng)動(dòng)態(tài)計(jì)算問(wèn)題.1）確定檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)，使在交變光信號(hào)作用下負(fù)載上能獲得非線性失真最小的電信號(hào)輸出。2）使檢測(cè)電路具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，以能對(duì)復(fù)雜的瞬變光信號(hào)或周期性光信號(hào)進(jìn)行無(wú)頻率失真的變換和傳輸。光電檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

在分析和設(shè)計(jì)交變光信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)，需11輸入電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算1.后續(xù)電路的等效輸入阻抗將和輸入電路的直流負(fù)載電阻并聯(lián)組成檢測(cè)器的交流負(fù)載。2.建立直流工作點(diǎn)。利用轉(zhuǎn)折點(diǎn)和偏置電壓或負(fù)載電阻建立直流負(fù)載線。3.確定光功率的變化范圍。4.利用解析法計(jì)算注意：交流負(fù)載線斜率為等效輸入阻抗，直流負(fù)載線斜率為通直流時(shí)電路中的負(fù)載電導(dǎo)。輸入電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算12光電二極管交流檢測(cè)電路

4－15反向偏置光電二極管交流檢測(cè)電路及計(jì)算a)檢測(cè)電路

b)圖解法最大功率輸出條件下：GLO=Gb＋G光電二極管交流檢測(cè)電路

4－15反向偏置光電二極管交流檢測(cè)13圖a給出了反向偏置光電二極管交流檢測(cè)電路的基本形式。

首先確定在交流光信號(hào)作用下電路的最佳工作狀態(tài)。假定輸入光照度為正弦變化，具有e＝E0＋Emsinωt的形式，光照度的變化范圍為E0±Em。若在信號(hào)通頻帶范圍內(nèi)，耦合電容Cc可認(rèn)為是短路，則等效交流負(fù)載電阻是Rb和RL的并聯(lián)。則可建立回路方程為：圖a給出了反向偏置光電二極管交流檢測(cè)電路的基本形式14過(guò)特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，以（Gb+GL)為斜率，做交流負(fù)載線MN。過(guò)特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M的目的是以便能充分利用器件的線性區(qū)間，交流負(fù)載線與光照度E＝E0對(duì)應(yīng)的伏安特性相交于Q點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)交變輸入光照度的直流分量，是輸入直流偏置電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。通過(guò)Q點(diǎn)作直流負(fù)載線可以圖解得到偏置電阻Rb和電源Ub的值。由圖可知。（已知其中一項(xiàng)，求另一項(xiàng)）過(guò)特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，以（Gb+GL)15下面來(lái)計(jì)算負(fù)載RL上的輸出電壓和輸出功率值。

負(fù)載電阻上的輸出電壓峰值Um可利用圖b中陰影線三角形MHQ的數(shù)值關(guān)系計(jì)算。若交流負(fù)載線的斜率是GL+Gb，設(shè)交流負(fù)載總電流峰值為Im，則有Um＝Im/(GL+Gb)

下面來(lái)計(jì)算負(fù)載RL上的輸出電壓和輸出功率值。16另一方面，在圖中的線段MN上有電流關(guān)系：M點(diǎn):IM=IQ+Im=IMd+IMP=G(UQ-Um)+SE(E0+Em)

N點(diǎn)：IN=IQ-Im=INd+INP=G(UQ+Um)+SE(E0-Em)則，由IM-IN=2Im可得：Im＝SEEm-GUm另一方面，在圖中的線段MN上有電流關(guān)系：17代入上式，有Um＝SEEm/(Gb+GL+G)(4-34)負(fù)載電阻RL上的輸出功率PL為:式中，IL＝Um/RL＝GLUm是負(fù)載RL上的電流峰值，代入（4-34）式，可得：(4-35)代入上式，有18將PL對(duì)GL求導(dǎo)數(shù)，令導(dǎo)數(shù)為零，可以得到最大功率輸出下的負(fù)載電阻RL0＝1/GL0，可得

即：將PL對(duì)GL求導(dǎo)數(shù)，令導(dǎo)數(shù)為零，可以得到最大功率輸出即19所以可得：GL0=Gb+GRL0＝1/GL0

將所得到的負(fù)載電導(dǎo)代入式（4-34)和（4－35），可得阻抗匹配條件下負(fù)載的輸出電壓峰值Umo、最大輸出功率有效值PLm和輸出電流峰值Imo，為

Umo＝SEEm/2GL0PLm＝(SEEm)2/8GL0＝GL0Umo2/2Im0=2PLm/Um0=SEEm/2所以可得：GL0=Gb+G將所得到的負(fù)載電導(dǎo)代入式（4-3420最大功率輸出條件的直流偏置電阻Rb0和電源電壓Ub可用解析法計(jì)算。靜態(tài)工作點(diǎn)Q的電流值由伏安特性有IQ＝GUQ+SEE0由負(fù)載線有IQ＝(Ub-UQ)Gb求解上二式，有UQ＝(GbUb-SEE0)/(G＋Gb)最大功率輸出條件的直流偏置電阻Rb0和電源電壓Ub21

另一方面，在電壓軸上工作點(diǎn)Q處的電壓UQ為

UQ＝Umo+UM＝SEEm/2(Gb+G)+UM比較前二式可計(jì)算出Gb0或Rb0為

Gb0＝[SE(Em+2E0)+2GUM]/2(Ub-UM)或Rb0=2(Ub-UM)/(SE(Em+2E0)+2GUM)類似地，若Rb0已知?jiǎng)t可由上式計(jì)算Ub值。另一方面，在電壓軸上工作點(diǎn)Q處的電壓UQ為22通頻帶ΔF，它是檢測(cè)電路上限和下限截止頻率所包括的頻率范圍。ΔF愈大，信號(hào)通過(guò)能力愈強(qiáng)。圖4－17反向偏置光電二極管檢測(cè)電路微變等效電路圖UL＝SEe/(g+GL+Gb+jωCj)τ＝Cj/(g+GL+Gb)稱作檢測(cè)電路的時(shí)間常數(shù)。上限頻率通頻帶ΔF，它是檢測(cè)電路上限和下限截止頻率所圖4－17反向23對(duì)應(yīng)檢測(cè)電路的不同工作狀態(tài)，頻率特性式可有不同的簡(jiǎn)化形式。

1）給定輸入光照度，希望在負(fù)載上取最大功率輸出時(shí)，要求滿足：RL＝Rb和g<<Gb此時(shí)UL＝(RL/2)·SEe/(1+jωτ)時(shí)間常數(shù)τ＝RLCj/2上限頻率fHC＝1/2πτ＝1/πRLCj

對(duì)應(yīng)檢測(cè)電路的不同工作狀態(tài)，頻率特性式可有不同的簡(jiǎn)化形式。24

2）電壓放大時(shí)希望在負(fù)載上取得最大電壓輸出，要求滿足RL>>Rb（例如RL≥10Rb）且g<<Gb此時(shí)UL＝SEeRb/(1+jωτ)時(shí)間常數(shù)τ＝RbCj上限頻率fHC＝1/2πRbCj

3）電流放大時(shí)希望在負(fù)載上取得最大電流，要求滿足：RL<<Rb且g很小此時(shí)UL＝SEeRL/(1+jωτ)時(shí)間常數(shù)τ＝RLCj上限頻率fHC＝1/2πRLCj

2）電壓放大時(shí)希望在負(fù)載上取得最大電壓輸出，25由式（4－43）可見，為了從光電二極管中得到足夠的信號(hào)功率和電壓，負(fù)載電阻RL和Rb不能很小。但過(guò)大的阻值又使高頻截止頻率下降，降低了通頻帶寬度。因此負(fù)載的選擇要根據(jù)增益和帶寬的要求綜合考慮。只有在電流放大的情況下才允許RL取得很小。并通過(guò)后級(jí)放大得到足夠的信號(hào)增益，因此，常常采用低輸入阻抗高增益的電流放大器使檢測(cè)器工作在電流放大狀態(tài)，以提高頻率響應(yīng)，而放大器的高增益可在不改變信號(hào)通頻帶的前提下提高信號(hào)的輸出電壓。由式（4－43）可見，為了從光電二極管中得到足夠的信26熱噪聲電阻噪聲電壓、電流的有效值分別為：例:計(jì)算室溫下1M?電阻，如果檢測(cè)電路放大倍數(shù)為1，則在電路通頻帶為Δf=30KHz時(shí)輸出的熱噪聲電壓有效值，及通頻帶為Δf=10MHz時(shí)輸出的熱噪聲電壓有效值。Δf=30KHzUT=22.3μVΔf=10MHzUT=400μV

熱噪聲電阻噪聲電壓、電流的有效值分別為：例:計(jì)算室溫下1M?27散粒噪聲散粒噪聲的量值不取決于溫度，而由流過(guò)器件的平均電流決定。噪聲電流、電壓有效值：q為電子電荷量，IDC為光電流平均值等效處理：將各種器件的噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式。散粒噪聲噪聲電流、電壓有效值：q為電子電荷量，IDC為光電28兩個(gè)電阻串、并聯(lián)組成的合成電路，其綜合噪聲電流為：電阻和電容C并聯(lián)情況下，噪聲等效帶寬Δfe＝1/（4RC)并聯(lián)RC電路對(duì)噪聲的影響相當(dāng)于使電阻熱噪聲的頻譜分布由白噪聲變窄為等效噪聲帶寬Δfe以光電倍增管為例，介紹光電檢測(cè)電路的噪聲估算方法。兩個(gè)電阻串、并聯(lián)組成的合成電路，其綜合噪聲電流為：電阻和電容29前置放大器的作用

從檢測(cè)器輸出端獲得所需的電信號(hào)（能量、時(shí)間）；

預(yù)放大檢測(cè)器的輸出信號(hào)，以獲得較好的信號(hào)噪聲比；

進(jìn)行阻抗變換，減少信號(hào)傳輸中的干擾。

使能量、時(shí)間的測(cè)量更加準(zhǔn)確電路設(shè)計(jì)中對(duì)前置放大器的要求是：低噪聲、高增益、低輸入阻抗、足夠的信號(hào)帶寬和負(fù)載能力、良好的線性和抗干擾能力。前置放大器的作用電路設(shè)計(jì)中對(duì)前置放大器的要求是：低噪聲、高30放大器的噪聲模型:En－

In模型——放大器所有噪聲源都折算到輸入端，內(nèi)部無(wú)噪聲。等效輸入噪聲EniEn－

In的測(cè)量：

(1)放大器輸入端短路，即RS＝0，測(cè)得放大器輸出端的噪聲電壓均方根值為，用Au除之，得En

(2)取一個(gè)很大的電阻作為源電阻RS，測(cè)得放大器輸出端的噪聲電壓均方根值為AuInRs,用AuRs除之，得In放大器的噪聲模型:En－In模型En－In的測(cè)量：31噪聲系數(shù)——放大器總的輸出噪聲功率與源電阻在放大器輸出端的噪聲功率之比。噪聲系數(shù)的作用：用來(lái)量度放大器所引起的信噪比惡化程度。一個(gè)好的放大器應(yīng)該是在源熱噪聲的基礎(chǔ)上盡可能少的增加噪聲，使得噪聲系數(shù)接近為1?；蛘哒f(shuō)，使放大器的輸出信噪比接近于輸入信噪比。噪聲系數(shù)——放大器總的輸出噪聲功率與源電阻在放大器輸噪聲系數(shù)32噪聲系數(shù)主要用來(lái)比較放大器的噪聲性能，不一定是放大器噪聲性能最佳的合適標(biāo)志。如：同一個(gè)放大器，源電阻增大，熱噪聲隨著最佳，使得噪聲系數(shù)減少，但放大器本身噪聲性能沒有變。只有在源電阻相同情況下，減少噪聲系數(shù)才有意義。噪聲系數(shù)主要用來(lái)比較放大器的噪聲性能，不一定是放大器噪聲性能33噪聲匹配——噪聲系數(shù)與源電阻Rs有關(guān)，并隨著源電阻Rs的熱噪聲增大而減少。當(dāng)源電阻足夠大時(shí)，放大器噪聲電流成為主要項(xiàng)，造成噪聲系數(shù)隨著源電阻的增加而增加。對(duì)某個(gè)源電阻Rs，噪聲系數(shù)存在一個(gè)最小值，這時(shí)放大器在源熱噪聲的基礎(chǔ)上噪聲減到最小，這時(shí)對(duì)應(yīng)的源電阻稱為最佳源電阻R0：噪聲匹配——噪聲系數(shù)與源電阻Rs有關(guān)，并隨著源電阻Rs的熱噪34上式表明：當(dāng)源電阻等于放大器噪聲電壓與噪聲電流的比值時(shí)，噪聲系數(shù)最小，這個(gè)特殊的源電阻稱為最佳源電阻R0，上式就是噪聲匹配條件。得到的噪聲系數(shù)最小值為：注意：不要將噪聲匹配與功率匹配混淆，最佳源電阻不是功率傳輸最大時(shí)的電阻，R0和放大器的輸入阻抗沒有直接關(guān)系，而是和放大器的噪聲電壓源En和噪聲電流In有關(guān)上式表明：當(dāng)源電阻等于放大器噪聲電壓與噪聲電流的比值時(shí)，噪聲35練習(xí)題：1.已知某光電二極管的靈敏度為0.1μA/μlm，靜態(tài)工作點(diǎn)處輸出電壓為10V，電流為15μA，轉(zhuǎn)折電壓U0為6V,入射光通量0～150μlm，求偏置電壓和負(fù)載電阻，初始電導(dǎo)G0，及入射光通量變化范圍內(nèi)的輸出電壓ΔU及輸出電流ΔI。練習(xí)題：36練習(xí)題：2.設(shè)電源電壓為18伏，UQ＝12V,IQ=14μA的光敏二極管上光從P=15μ

w,變化到25μw，若光通量在此區(qū)間內(nèi)做正弦變化，要使輸出交變電壓的幅值為8V,求所需的負(fù)載電阻RL,結(jié)電導(dǎo)G,初始電導(dǎo)G0練習(xí)題：37練習(xí)題：3.已知某光電二極管的靈敏度為0.5μA/μlm，靜態(tài)工作點(diǎn)處輸出電壓為16V，偏置電壓Ub為40V,入射光通量Φ＝5＋3sinwt(μlm)，結(jié)間電導(dǎo)G＝0.01μs,最大功率輸出條件下，其直流偏置電阻Rb0＝100MΩ.求最大功率輸出條件下負(fù)載電阻，及阻抗匹配條件下負(fù)載的輸出電壓峰值，最大輸出功率有效值，和輸出電流峰值。練習(xí)題：38練習(xí)題：4.已知某光電二極管的入射光通量Φ＝5＋3sinwt(μlm)

，轉(zhuǎn)折電壓UM為10V,結(jié)間電導(dǎo)G＝0.01μs,最大功率輸出條件下，負(fù)載的輸出電壓峰值為6V，最大輸出功率有效值為2.5μW.求二極管的靈敏度，最大功率輸出條件下偏置電阻，阻抗匹配條件下負(fù)載的輸出電流峰值及靜態(tài)工作點(diǎn)處的電流值與電壓值及電路的電源電壓電壓。練習(xí)題：395.光電導(dǎo)器件響應(yīng)受哪些因素限制？光伏器件與光電導(dǎo)器件工作頻率哪個(gè)更高？實(shí)際使用時(shí)如何改善其工作頻率響應(yīng)？答：光電導(dǎo)器件響應(yīng)時(shí)間受半導(dǎo)體材料光生載流子的平均壽命，入射光的照度，以及外電路中所加電壓，負(fù)載電阻等影響時(shí)間的常數(shù)等的限制。多數(shù)光電導(dǎo)器件在0～1MHZ的頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng)。實(shí)際使用中可以盡量提高使用照明度，降低所加電壓，施加適當(dāng)偏置光照等都可以改善其頻率響應(yīng)。而對(duì)于光伏器件來(lái)說(shuō)，其響應(yīng)時(shí)間主要取決于：光生載流子擴(kuò)散至結(jié)區(qū)的時(shí)間，光生載流子在電場(chǎng)作用下通過(guò)結(jié)區(qū)的漂移時(shí)間以及由結(jié)電容和負(fù)載電阻決定的時(shí)間常數(shù)。經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的硅光伏二極管可以工作與幾百兆赫茲的工作頻率，甚至更高。一般在制造工藝上器件光敏面做的很薄，結(jié)面積很小，盡可能提高反向偏置電壓，減小負(fù)載電阻等，都可以減少時(shí)間常數(shù)，使其工作頻率更高。5.光電導(dǎo)器件響應(yīng)受哪些因素限制？光伏器件與光電導(dǎo)器件工作頻4010.簡(jiǎn)述光電耦合器件的工作原理及特點(diǎn)。發(fā)光器件與光接受器件封裝一體，但不接觸，有很強(qiáng)的電氣絕緣性，信號(hào)通過(guò)光傳輸。發(fā)光器件：ＬＥＤ，ＬＤ，燈等光接受器件：光電二極管／三極管，光電 池，光敏電阻。特點(diǎn)：具有電隔離（１０１０－１０１２歐姆）功能；信號(hào)傳輸單向（脈沖或直流），適用于模擬／數(shù)字信號(hào)；具有抗干擾和噪聲能力；響應(yīng)速度快（微／納秒，直流－１０兆赫茲），體積小，壽命長(zhǎng)，使用方便；既有耦合特性，又有隔離功能；10.簡(jiǎn)述光電耦合器件的工作原理及特點(diǎn)。發(fā)光器件與光接受器件4121.為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓作用下才能發(fā)光？反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？發(fā)光二極管是由P型和N型半導(dǎo)體組成的二極管。N型材料中的多數(shù)載流子是電子，P型材料中的多數(shù)載流子是空穴。當(dāng)加上正向偏壓時(shí)，在外電場(chǎng)作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合。一個(gè)電子和一個(gè)空穴每一次復(fù)合，將釋放出與材料性質(zhì)有關(guān)的復(fù)合能量，這個(gè)能量會(huì)以熱能、光能、或部分熱能和部分光能的形式輻射出來(lái)。二極管的特性是單向并且是正向?qū)ǖ?，反向電阻很大，近似截止。發(fā)光二極管特性與普通二極管相同，只能正向?qū)òl(fā)光。反向電阻很大，近似截止，當(dāng)電壓足夠大時(shí)，就會(huì)發(fā)生反向擊穿，所以反向偏置的發(fā)光二極管不能發(fā)光21.為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓作用下才能發(fā)光？反向偏置42復(fù)習(xí)提綱1.光電檢測(cè)方法分類，各方法測(cè)量原理。P7-10。2.光伏效應(yīng)器件與光電導(dǎo)效應(yīng)器件各自優(yōu)缺點(diǎn)和產(chǎn)生相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)原因。P13-15.3.亮電阻和暗電阻概念，光敏電阻的變化對(duì)輸出的影響。4.光電二極管和光電三極管的工作原理，光電倍增管和光電耦合器的工作原理和特點(diǎn)。恒流源光電器件有哪些？5.光電信號(hào)輸入電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，P72-77，P85-87.6.光電檢測(cè)電路中引起高頻和低頻衰減的原因，電路頻率特性的設(shè)計(jì)。復(fù)習(xí)提綱1.光電檢測(cè)方法分類，各方法測(cè)量原理。437、噪聲分類，各噪聲形成的原因；放大器等效輸入噪聲定義，最佳源電阻的定義，噪聲匹配的條件和實(shí)現(xiàn)方法；前置放大器的作用和電路對(duì)前置放大器的要求。8.光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的概念，噪聲源類型，量子測(cè)量極限的含義，視場(chǎng)角確定原則；光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的類型及其工作原理，如莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀和激光測(cè)距儀的原理。7、噪聲分類，各噪聲形成的原因；放大器等效輸入噪聲定義，最佳44光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力最佳的信號(hào)檢測(cè)能力長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性和可靠性根據(jù)這些要求，檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)通常包括的步驟為：

電路靜態(tài)計(jì)算、電路動(dòng)態(tài)計(jì)算和噪聲估算。光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力根據(jù)這些要求，檢測(cè)電45光電信號(hào)輸入電路的靜態(tài)計(jì)算對(duì)于緩慢變化的光信號(hào)通常采用直流電路進(jìn)行檢測(cè)。直流電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于確定電路的靜態(tài)工作狀態(tài)，即進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算。光電信號(hào)輸入電路的靜態(tài)計(jì)算對(duì)于緩慢變化的光信號(hào)通常采用直流電46恒流源型器件光信號(hào)輸入電路4－4伏安特性的分段折線化和微變等效電路a)折線化一

b)折線化二

c)等效電路恒流源型器件光信號(hào)輸入電路4－4伏安特性的分段折線化和微變47折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：

a）轉(zhuǎn)折電壓Uo：對(duì)應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)M處的電壓值。

b）初始電導(dǎo)Go：非線性區(qū)近似直線的初始斜率。

c）結(jié)間漏電導(dǎo)G：線性區(qū)內(nèi)各平行直線的平均斜率。

d）光電靈敏度S：?jiǎn)挝惠斎牍夤β仕鸬墓怆娏髦?。設(shè)輸入光功率為P，對(duì)應(yīng)的光電流為Ip，則有

S＝Ip/P式中的光功率P可以是光通量Φ，也可以是光照度E。光通量和照度之間的關(guān)系為

Φ＝AE式中，A為光敏面受光面積。折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：48在輸入光通量變化范圍Φmin～Φmax為已知的條件下，用解析法計(jì)算輸入電路的工作狀態(tài)可按下列步驟進(jìn)行。1.確定線性工作區(qū)域在線段MN上有關(guān)系

G0U0＝GU0+SΦmax

由此可解得

U0＝SΦmax/(G0-G)

或G0＝G+SΦmax/U0上式給出了折線化伏安特性四個(gè)基本參數(shù)U0、G0、G和S間的關(guān)系。4－5用解析法計(jì)算輸入電路a)確定線性區(qū)

b)計(jì)算輸出信號(hào)在輸入光通量變化范圍Φmin～Φmax為已知的條件下，用解析492.計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓為保證最大線性輸出條件，負(fù)載線和與Φmax對(duì)應(yīng)的曲線的交點(diǎn)不能低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。設(shè)負(fù)載線通過(guò)M點(diǎn)，此時(shí)由上圖a中的圖示關(guān)系可得：(Ub-U0)GL＝G0U0當(dāng)已知Ub時(shí)，

GL＝G0·U0/(Ub-U0)＝SΦmax/[Ub(1-G/G0)-SΦmax/G0)]

當(dāng)RL＝1/GL已知時(shí)，Ub＝SΦmax(GL+G0)/GL(G0-G)2.計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓為保證最大線性輸出條件，503計(jì)算輸出電壓幅度

由上圖b，當(dāng)輸入光通量由Φmin變化到Φmax時(shí)，輸出電壓幅度為ΔU＝Umax-U0，其中Umax和U0可由圖中M和H點(diǎn)的電流值計(jì)算得到

在H點(diǎn)：GL(Ub-Umax)=GUmax+SΦmin在M點(diǎn)：GL(Ub-U0)=GU0+SΦmax

解上二式得

Umax＝(GLUb-SΦmin)/(G+GL)

U0＝(GLUb-SΦmax)/(G+GL)

所以

ΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(G+GL)＝S·ΔΦ/(G+GL)上式表明輸出電壓幅度與輸入光通量的增量和光電靈敏度成正比，與結(jié)間漏電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)成反比。3計(jì)算輸出電壓幅度514計(jì)算輸出電流幅度

由上圖b，輸出電流幅度為：

ΔI＝Imax-Imin＝ΔUGL

可得

ΔI＝GLΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(1+G/GL)

通常GL>>G，上式可簡(jiǎn)化為

ΔI＝S(Φmax-Φmin)＝SΔΦ5計(jì)算輸出電功率

由功率關(guān)系P=ΔIΔU可得

P＝GL(ΔU)2＝GL[SΔΦ/(G+GL)]24計(jì)算輸出電流幅度52光伏型器體光電信號(hào)輸入電路根據(jù)所選負(fù)載電阻的數(shù)值，光電池的工作狀態(tài)可分為以下幾種：（1）短路或線性電流放大：要求：負(fù)載電阻或后續(xù)放大電路的輸入阻抗盡可能小。（2）空載電壓輸出要求：此時(shí)光電池應(yīng)通過(guò)高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大電路連接，相當(dāng)于輸出開路。（3）線性電壓輸出這種工作狀態(tài)在串聯(lián)的負(fù)載電阻上能得到與輸入光通量近似成正比的信號(hào)電壓，負(fù)載電阻增大有助于提高輸出電壓。但當(dāng)增大到一定的臨界值時(shí)，輸出信號(hào)開始發(fā)生非線性畸變。

光伏型器體光電信號(hào)輸入電路（1）短路或線性電流放大：（2）空53可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計(jì)算恒流偏置：負(fù)載電流與光敏電阻值無(wú)關(guān)，近似保持常數(shù)。這種電路稱作恒流偏置電路。

輸出信號(hào)電流取決于光敏電阻和負(fù)載電阻的比值，與偏置電壓成正比。恒壓偏置：光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱作恒壓偏置。

恒壓偏置的輸出信號(hào)與光敏電阻值無(wú)關(guān)，僅取決于電導(dǎo)的相對(duì)變化，可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計(jì)算恒流偏置：負(fù)載電流與光敏54光電檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

在分析和設(shè)計(jì)交變光信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)，需要解決下述幾項(xiàng)動(dòng)態(tài)計(jì)算問(wèn)題.1）確定檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)，使在交變光信號(hào)作用下負(fù)載上能獲得非線性失真最小的電信號(hào)輸出。2）使檢測(cè)電路具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，以能對(duì)復(fù)雜的瞬變光信號(hào)或周期性光信號(hào)進(jìn)行無(wú)頻率失真的變換和傳輸。光電檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

在分析和設(shè)計(jì)交變光信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)，需55輸入電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算1.后續(xù)電路的等效輸入阻抗將和輸入電路的直流負(fù)載電阻并聯(lián)組成檢測(cè)器的交流負(fù)載。2.建立直流工作點(diǎn)。利用轉(zhuǎn)折點(diǎn)和偏置電壓或負(fù)載電阻建立直流負(fù)載線。3.確定光功率的變化范圍。4.利用解析法計(jì)算注意：交流負(fù)載線斜率為等效輸入阻抗，直流負(fù)載線斜率為通直流時(shí)電路中的負(fù)載電導(dǎo)。輸入電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算56光電二極管交流檢測(cè)電路

4－15反向偏置光電二極管交流檢測(cè)電路及計(jì)算a)檢測(cè)電路

b)圖解法最大功率輸出條件下：GLO=Gb＋G光電二極管交流檢測(cè)電路

4－15反向偏置光電二極管交流檢測(cè)57圖a給出了反向偏置光電二極管交流檢測(cè)電路的基本形式。

首先確定在交流光信號(hào)作用下電路的最佳工作狀態(tài)。假定輸入光照度為正弦變化，具有e＝E0＋Emsinωt的形式，光照度的變化范圍為E0±Em。若在信號(hào)通頻帶范圍內(nèi)，耦合電容Cc可認(rèn)為是短路，則等效交流負(fù)載電阻是Rb和RL的并聯(lián)。則可建立回路方程為：圖a給出了反向偏置光電二極管交流檢測(cè)電路的基本形式58過(guò)特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，以（Gb+GL)為斜率，做交流負(fù)載線MN。過(guò)特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M的目的是以便能充分利用器件的線性區(qū)間，交流負(fù)載線與光照度E＝E0對(duì)應(yīng)的伏安特性相交于Q點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)交變輸入光照度的直流分量，是輸入直流偏置電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。通過(guò)Q點(diǎn)作直流負(fù)載線可以圖解得到偏置電阻Rb和電源Ub的值。由圖可知。（已知其中一項(xiàng)，求另一項(xiàng)）過(guò)特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，以（Gb+GL)59下面來(lái)計(jì)算負(fù)載RL上的輸出電壓和輸出功率值。

負(fù)載電阻上的輸出電壓峰值Um可利用圖b中陰影線三角形MHQ的數(shù)值關(guān)系計(jì)算。若交流負(fù)載線的斜率是GL+Gb，設(shè)交流負(fù)載總電流峰值為Im，則有Um＝Im/(GL+Gb)

下面來(lái)計(jì)算負(fù)載RL上的輸出電壓和輸出功率值。60另一方面，在圖中的線段MN上有電流關(guān)系：M點(diǎn):IM=IQ+Im=IMd+IMP=G(UQ-Um)+SE(E0+Em)

N點(diǎn)：IN=IQ-Im=INd+INP=G(UQ+Um)+SE(E0-Em)則，由IM-IN=2Im可得：Im＝SEEm-GUm另一方面，在圖中的線段MN上有電流關(guān)系：61代入上式，有Um＝SEEm/(Gb+GL+G)(4-34)負(fù)載電阻RL上的輸出功率PL為:式中，IL＝Um/RL＝GLUm是負(fù)載RL上的電流峰值，代入（4-34）式，可得：(4-35)代入上式，有62將PL對(duì)GL求導(dǎo)數(shù)，令導(dǎo)數(shù)為零，可以得到最大功率輸出下的負(fù)載電阻RL0＝1/GL0，可得

即：將PL對(duì)GL求導(dǎo)數(shù)，令導(dǎo)數(shù)為零，可以得到最大功率輸出即63所以可得：GL0=Gb+GRL0＝1/GL0

將所得到的負(fù)載電導(dǎo)代入式（4-34)和（4－35），可得阻抗匹配條件下負(fù)載的輸出電壓峰值Umo、最大輸出功率有效值PLm和輸出電流峰值Imo，為

Umo＝SEEm/2GL0PLm＝(SEEm)2/8GL0＝GL0Umo2/2Im0=2PLm/Um0=SEEm/2所以可得：GL0=Gb+G將所得到的負(fù)載電導(dǎo)代入式（4-3464最大功率輸出條件的直流偏置電阻Rb0和電源電壓Ub可用解析法計(jì)算。靜態(tài)工作點(diǎn)Q的電流值由伏安特性有IQ＝GUQ+SEE0由負(fù)載線有IQ＝(Ub-UQ)Gb求解上二式，有UQ＝(GbUb-SEE0)/(G＋Gb)最大功率輸出條件的直流偏置電阻Rb0和電源電壓Ub65

另一方面，在電壓軸上工作點(diǎn)Q處的電壓UQ為

UQ＝Umo+UM＝SEEm/2(Gb+G)+UM比較前二式可計(jì)算出Gb0或Rb0為

Gb0＝[SE(Em+2E0)+2GUM]/2(Ub-UM)或Rb0=2(Ub-UM)/(SE(Em+2E0)+2GUM)類似地，若Rb0已知?jiǎng)t可由上式計(jì)算Ub值。另一方面，在電壓軸上工作點(diǎn)Q處的電壓UQ為66通頻帶ΔF，它是檢測(cè)電路上限和下限截止頻率所包括的頻率范圍。ΔF愈大，信號(hào)通過(guò)能力愈強(qiáng)。圖4－17反向偏置光電二極管檢測(cè)電路微變等效電路圖UL＝SEe/(g+GL+Gb+jωCj)τ＝Cj/(g+GL+Gb)稱作檢測(cè)電路的時(shí)間常數(shù)。上限頻率通頻帶ΔF，它是檢測(cè)電路上限和下限截止頻率所圖4－17反向67對(duì)應(yīng)檢測(cè)電路的不同工作狀態(tài)，頻率特性式可有不同的簡(jiǎn)化形式。

1）給定輸入光照度，希望在負(fù)載上取最大功率輸出時(shí)，要求滿足：RL＝Rb和g<<Gb此時(shí)UL＝(RL/2)·SEe/(1+jωτ)時(shí)間常數(shù)τ＝RLCj/2上限頻率fHC＝1/2πτ＝1/πRLCj

對(duì)應(yīng)檢測(cè)電路的不同工作狀態(tài)，頻率特性式可有不同的簡(jiǎn)化形式。68

2）電壓放大時(shí)希望在負(fù)載上取得最大電壓輸出，要求滿足RL>>Rb（例如RL≥10Rb）且g<<Gb此時(shí)UL＝SEeRb/(1+jωτ)時(shí)間常數(shù)τ＝RbCj上限頻率fHC＝1/2πRbCj

3）電流放大時(shí)希望在負(fù)載上取得最大電流，要求滿足：RL<<Rb且g很小此時(shí)UL＝SEeRL/(1+jωτ)時(shí)間常數(shù)τ＝RLCj上限頻率fHC＝1/2πRLCj

2）電壓放大時(shí)希望在負(fù)載上取得最大電壓輸出，69由式（4－43）可見，為了從光電二極管中得到足夠的信號(hào)功率和電壓，負(fù)載電阻RL和Rb不能很小。但過(guò)大的阻值又使高頻截止頻率下降，降低了通頻帶寬度。因此負(fù)載的選擇要根據(jù)增益和帶寬的要求綜合考慮。只有在電流放大的情況下才允許RL取得很小。并通過(guò)后級(jí)放大得到足夠的信號(hào)增益，因此，常常采用低輸入阻抗高增益的電流放大器使檢測(cè)器工作在電流放大狀態(tài)，以提高頻率響應(yīng)，而放大器的高增益可在不改變信號(hào)通頻帶的前提下提高信號(hào)的輸出電壓。由式（4－43）可見，為了從光電二極管中得到足夠的信70熱噪聲電阻噪聲電壓、電流的有效值分別為：例:計(jì)算室溫下1M?電阻，如果檢測(cè)電路放大倍數(shù)為1，則在電路通頻帶為Δf=30KHz時(shí)輸出的熱噪聲電壓有效值，及通頻帶為Δf=10MHz時(shí)輸出的熱噪聲電壓有效值。Δf=30KHzUT=22.3μVΔf=10MHzUT=400μV

熱噪聲電阻噪聲電壓、電流的有效值分別為：例:計(jì)算室溫下1M?71散粒噪聲散粒噪聲的量值不取決于溫度，而由流過(guò)器件的平均電流決定。噪聲電流、電壓有效值：q為電子電荷量，IDC為光電流平均值等效處理：將各種器件的噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式。散粒噪聲噪聲電流、電壓有效值：q為電子電荷量，IDC為光電72兩個(gè)電阻串、并聯(lián)組成的合成電路，其綜合噪聲電流為：電阻和電容C并聯(lián)情況下，噪聲等效帶寬Δfe＝1/（4RC)并聯(lián)RC電路對(duì)噪聲的影響相當(dāng)于使電阻熱噪聲的頻譜分布由白噪聲變窄為等效噪聲帶寬Δfe以光電倍增管為例，介紹光電檢測(cè)電路的噪聲估算方法。兩個(gè)電阻串、并聯(lián)組成的合成電路，其綜合噪聲電流為：電阻和電容73前置放大器的作用

從檢測(cè)器輸出端獲得所需的電信號(hào)（能量、時(shí)間）；

預(yù)放大檢測(cè)器的輸出信號(hào)，以獲得較好的信號(hào)噪聲比；

進(jìn)行阻抗變換，減少信號(hào)傳輸中的干擾。

使能量、時(shí)間的測(cè)量更加準(zhǔn)確電路設(shè)計(jì)中對(duì)前置放大器的要求是：低噪聲、高增益、低輸入阻抗、足夠的信號(hào)帶寬和負(fù)載能力、良好的線性和抗干擾能力。前置放大器的作用電路設(shè)計(jì)中對(duì)前置放大器的要求是：低噪聲、高74放大器的噪聲模型:En－

In模型——放大器所有噪聲源都折算到輸入端，內(nèi)部無(wú)噪聲。等效輸入噪聲EniEn－

In的測(cè)量：

(1)放大器輸入端短路，即RS＝0，測(cè)得放大器輸出端的噪聲電壓均方根值為，用Au除之，得En

(2)取一個(gè)很大的電阻作為源電阻RS，測(cè)得放大器輸出端的噪聲電壓均方根值為AuInRs,用AuRs除之，得In放大器的噪聲模型:En－In模型En－In的測(cè)量：75噪聲系數(shù)——放大器總的輸出噪聲功率與源電阻在放大器輸出端的噪聲功率之比。噪聲系數(shù)的作用：用來(lái)量度放大器所引起的信噪比惡化程度。一個(gè)好的放大器應(yīng)該是在源熱噪聲的基礎(chǔ)上盡可能少的增加噪聲，使得噪聲系數(shù)接近為1?；蛘哒f(shuō)，使放大器的輸出信噪比接近于輸入信噪比。噪聲系數(shù)——放大器總的輸出噪聲功率與源電阻在放大器輸噪聲系數(shù)76噪聲系數(shù)主要用來(lái)比較放大器的噪聲性能，不一定是放大器噪聲性能最佳的合適標(biāo)志。如：同一個(gè)放大器，源電阻增大，熱噪聲隨著最佳，使得噪聲系數(shù)減少，但放大器本身噪聲性能沒有變。只有在源電阻相同情況下，減少噪聲系數(shù)才有意義。噪聲系數(shù)主要用來(lái)比較放大器的噪聲性能，不一定是放大器噪聲性能77噪聲匹配——噪聲系數(shù)與源電阻Rs有關(guān)，并隨著源電阻Rs的熱噪聲增大而減少。當(dāng)源電阻足夠大時(shí)，放大器噪聲電流成為主要項(xiàng)，造成噪聲系數(shù)隨著源電阻的增加而增加。對(duì)某個(gè)源電阻Rs，噪聲系數(shù)存在一個(gè)最小值，這時(shí)放大器在源熱噪聲的基礎(chǔ)上噪聲減到最小，這時(shí)對(duì)應(yīng)的源電阻稱為最佳源電阻R0：噪聲匹配——噪聲系數(shù)與源電阻Rs有關(guān)，并隨著源電阻Rs的熱噪78上式表明：當(dāng)源電阻等于放大器噪聲電壓與噪聲電流的比值時(shí)，噪聲系數(shù)最小，這個(gè)特殊的源電阻稱為最佳源電阻R0，上式就是噪聲匹配條件。得到的噪聲系數(shù)最小值為：注意：不要將噪聲匹配與功率匹配混淆，最佳源電阻不是功率傳輸最大時(shí)的電阻，R0和放大器的輸入阻抗沒有直接關(guān)系，而是和放大器的噪聲電壓源En和噪聲電流In有關(guān)上式表明：當(dāng)源電阻等于放大器噪聲電壓與噪聲電流的比值時(shí)，噪聲79練習(xí)題：1.已知某光電二極管的靈敏度為0.1μA/μlm，靜態(tài)工作點(diǎn)處輸出電壓為10V，電流為15μA，轉(zhuǎn)折電壓U0為6V,入