光電檢測發(fā)電路設(shè)計(jì)

第一頁，共五十頁，2022年，8月28日

⑴靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力：使給定的輸入光信號在允許的非線性失真條件下有最佳的信號傳輸系數(shù)，得到最大的功率、電壓或電流輸出。

⑵快速的動態(tài)響應(yīng)能力：滿足信號通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘柕目焖夙憫?yīng)。

⑶最佳的信號檢測能力：具有為可靠檢測所必需的信噪比或最小可檢測信號功率。

⑷長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。

檢測電路應(yīng)滿足下列技術(shù)要求：第二頁，共五十頁，2022年，8月28日緩慢變化的光信號通常采用直流檢測電路。直流檢測電路的計(jì)算重點(diǎn)在于確定電路的靜態(tài)工作狀態(tài)，由于光電檢測器件伏安特性的非線性，一般采用非線性電路的圖解法和分段線性化的解析法來計(jì)算。我們將根據(jù)器件伏安特性的性質(zhì)分作：恒流源型、光伏型和可變電阻型三種基本類型。第三頁，共五十頁，2022年，8月28日6.1恒流源型光電檢測電路的靜態(tài)計(jì)算恒流源型光電檢測器件的伏安特性a)光電倍增管

b)光電二極管

c)光電三極管第四頁，共五十頁，2022年，8月28日⑴在工作電壓較小的范圍內(nèi)曲線呈彎曲的趨勢，并且有一轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。⑵工作電壓加大后曲線逐漸平直。⑶對于不同的輸入光通量，各曲線間近似平行且間距隨光通量增大趨于相等。第五頁，共五十頁，2022年，8月28日

這種輸出電流隨器件端電壓增大而變化不大的性質(zhì)稱恒流源特性。

第六頁，共五十頁，2022年，8月28日一、圖解計(jì)算法式中，U(I)是非線性函數(shù)。上式可利用圖解法進(jìn)行計(jì)算。在伏安特性上劃出負(fù)載線Ub-IRL，它是斜率為-1/RL、通過U＝Ub點(diǎn)的直線。與縱軸交于Ub/RL點(diǎn)上。⑴畫出負(fù)載線第七頁，共五十頁，2022年，8月28日如果輸入光通量為Φo，則負(fù)載線和對應(yīng)于輸入光通量為Φo時(shí)的器件伏安特性曲線的交點(diǎn)Q即為輸入電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。當(dāng)輸入光通量由Φo改變+ΔΦ（或-ΔΦ）時(shí)，在光電二極管兩端產(chǎn)生-ΔU（或+ΔU）的電壓信號和+ΔI（或-ΔI）的電流信號。⑵光通量對輸出信號的影響第八頁，共五十頁，2022年，8月28日⑶負(fù)載對輸出信號的影響當(dāng)偏置電壓Ub不變時(shí)，對于同樣的輸入光通量Φo±ΔΦ，

負(fù)載電阻RL的減小→負(fù)載線的斜率增大→光電二極管兩端電壓△U(I)減小→輸出電壓△Uo減小。

負(fù)載電阻RL的增大→負(fù)載線的斜率變小→光電二極管兩端電壓△U(I)增大→輸出電壓△Uo增大。

但過大的RL會使負(fù)載線越過特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M進(jìn)入非線性區(qū)，這會使輸出信號的波形發(fā)生畸變。第九頁，共五十頁，2022年，8月28日⑷電源對電路的影響但電路的功耗隨之加大，并且過大的偏置電壓會引起光電二極管的反向擊穿。利用圖解法確定輸入電路的負(fù)載電阻RL和反向偏壓Ub值時(shí)，應(yīng)根據(jù)輸入光通量的變化范圍和輸出信號的幅度要求使負(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Ub不大于器件的最大工作電壓Umax。第十頁，共五十頁，2022年，8月28日

圖解法特別適用于大信號狀態(tài)下的電路分析。例如在大信號檢測情況下可以定性地看到輸出信號的波形畸變。在用作光電開關(guān)的情況下可以借助圖解法合理地選擇電路參數(shù)使之能可靠的動作，同時(shí)保證不使器件超過其最大工作電流、最大工作電壓和最大耗散功率。圖解法的應(yīng)用：第十一頁，共五十頁，2022年，8月28日二、解析法

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)等效電路第十二頁，共五十頁，2022年，8月28日折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：

⑴轉(zhuǎn)折電壓U0：對應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)M處的電壓值。

⑵初始電導(dǎo)G0：非線性區(qū)近似直線的初始斜率。

⑶結(jié)間漏電導(dǎo)G：線性區(qū)內(nèi)各平行直線的平均斜率。

⑷光電靈敏度S：單位輸入光功率所引起的光電流值。第十三頁，共五十頁，2022年，8月28日第十四頁，共五十頁，2022年，8月28日

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⑴由對應(yīng)最大輸入光通量Φmax的伏安曲線彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。⑵相應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓U0或初始電導(dǎo)值G0可由圖中圖示關(guān)系決定。第十五頁，共五十頁，2022年，8月28日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。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第十六頁，共五十頁，2022年，8月28日2、確定負(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對應(yīng)的伏安曲線的交點(diǎn)不能低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。設(shè)負(fù)載線通過M點(diǎn)，此時(shí)由上圖a中的圖示關(guān)系可得⑴當(dāng)已知Ub時(shí)，可計(jì)算出負(fù)載電導(dǎo)（阻）GL（RL）為第十七頁，共五十頁，2022年，8月28日⑵當(dāng)RL已知時(shí)，可計(jì)算偏置電源電壓Ub為第十八頁，共五十頁，2022年，8月28日3、計(jì)算輸出電壓幅度當(dāng)輸入光通量由Φmin變化到Φmax時(shí)，輸出電壓幅度為其中Umax和U0可由圖中M和H點(diǎn)的電流值計(jì)算得到第十九頁，共五十頁，2022年，8月28日4、計(jì)算輸出電流幅度輸出電流幅度為：通常GL>>G，上式可簡化為5、計(jì)算輸出電功率第二十頁，共五十頁，2022年，8月28日已知硅光電二極管2DU2的靈敏度Si=0.55μA/μW，結(jié)間漏置電導(dǎo)G=0.02μS，轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓U0=13V，入射光功率從Φmin=15μW變到Φmax=35μW，供電偏電壓為Ub=55V。求：⑴取得最大線性輸出電壓下最佳負(fù)載RL。⑵輸出電壓ΔU。(3)輸出電流ΔI。習(xí)題6－1第二十一頁，共五十頁，2022年，8月28日第二十二頁，共五十頁，2022年，8月28日第二十三頁，共五十頁，2022年，8月28日6.2、光伏型光電檢測電路的靜態(tài)計(jì)算光伏型光電器件的伏安特性和等效電路光伏型光電器件的伏安特性是一組以入射光功率為參量的曲線組，分布在伏安坐標(biāo)系的第四象限。由于器件的端電壓U和電流I的方向相反，對外電路形成電勢，所以具有賦能元件的性質(zhì)，可對負(fù)載供電。有這種伏安特性的光電器件包括光電池和工作于光電池狀態(tài)下的光電二極管等。第二十四頁，共五十頁，2022年，8月28日⑴光電池的輸出電流為：⑵光電池的兩端電壓為：第二十五頁，共五十頁，2022年，8月28日1、光伏型器件輸入電路的形式無偏置電路及其等效電路第二十六頁，共五十頁，2022年，8月28日2、無偏置輸入電路的靜態(tài)計(jì)算第二十七頁，共五十頁，2022年，8月28日㈠負(fù)載對輸出信號的影響由于光電池特性的非線性，負(fù)載電阻的選擇會影響光電池的輸出信號。例如在圖中，對應(yīng)光通量的增量ΔΦ＝Φ1-Φ2，在短路狀態(tài)下（RL＝0），輸出電流增量ΔI＝Isc2-Isc1，輸出電壓為零。隨著RL的增大，電流逐漸變小，輸出電壓隨之增大，直到某一臨界電阻RM之后負(fù)載上的電壓變得飽合。第二十八頁，共五十頁，2022年，8月28日

根據(jù)上述公式，在同一入射光通量下，負(fù)載電阻對光電池輸出電壓、電流、功率的影響曲線表示在圖中。

由圖可見，根據(jù)選用負(fù)載電阻的數(shù)值可以把光電池的工作狀態(tài)分作：短路或線性電流放大、空載電壓輸出、線性電壓放大和功率放大四個(gè)區(qū)域，分別由圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示。下面討論前三種工作狀態(tài)。可以定量地描述負(fù)載電阻對電路工作狀態(tài)（I、U、P）的影響：第二十九頁，共五十頁，2022年，8月28日⑴短路或線性電流放大這是一種電流變換狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，后續(xù)放大器作為負(fù)載從光電池中取得最大的輸出電流。為此要求負(fù)載電阻或后續(xù)放大器輸入阻抗盡可能小。由圖可看到由于RL很小，輸出電流接近于短路電流，它與入射光通量有良好的線性關(guān)系，即第三十頁，共五十頁，2022年，8月28日

優(yōu)點(diǎn)：在短路狀態(tài)下器件噪聲電流較低，信噪比改善，所以最適用于弱光信號的檢測。

短路電流隨受光面積的大小而改變，同一片光電池的短路電流或低阻負(fù)載時(shí)的負(fù)載電流與受光面積的變化曲線表示在下圖中，圖中A為受光面積。第三十一頁，共五十頁，2022年，8月28日

這是一種非線性電壓變換狀態(tài)。此時(shí)光電池應(yīng)通過高輸入阻抗變換器與前級放大電路連接，相當(dāng)于輸出開路。開路電壓可寫成⑵空載電壓輸出所以開路電壓(RL=∞時(shí))可寫成第三十二頁，共五十頁，2022年，8月28日上式表明開路電壓與入射光通量的對數(shù)成正比。并且由于Ip與光電池面積成正比，所以同一光電池的開路電壓與光電池面積的對數(shù)成正比，如圖所示。第三十三頁，共五十頁，2022年，8月28日例題已知在給定入射光功率（光照度E或光通量Φ）下的開路電壓Uoc，求另一個(gè)入射光功率（光照度E′或光通量Φ′）下的開路電壓Uoc′。解第三十四頁，共五十頁，2022年，8月28日

優(yōu)點(diǎn)：通常光電池的開路電壓為0.45～0.6V，在入射光強(qiáng)從零到某一定值作跳躍變化的光電開關(guān)等應(yīng)用中簡單地利用Uoc的電壓變化不需加任何偏置電源即可組成控制電路，這是它的優(yōu)點(diǎn)。此外，由伏安特性可以看到對于較小的入射光通量，開路電壓輸出變化較大，這對弱光信號的檢測特別有利。

缺點(diǎn)：光電池開路電壓與入射光功率呈非線性關(guān)系；這種使用方式的頻率特性不好，受溫度影響也較大，這是它的不足之處?？蛰d電壓輸出電路的優(yōu)缺點(diǎn)第三十五頁，共五十頁，2022年，8月28日⑶線性電壓輸出這種工作狀態(tài)在串聯(lián)負(fù)載電阻上能得到與輸入光通量近似成正比的信號電壓。增大負(fù)載電阻有助于提高電壓，但當(dāng)負(fù)載增大到某一臨界值RM(最佳負(fù)載電阻)時(shí)，輸出信號開始非線性畸變。第三十六頁，共五十頁，2022年，8月28日上式展開成冪級數(shù)當(dāng)(IRL/UT)<<1時(shí)，忽略高階項(xiàng)，上式可簡化為由于當(dāng)IS<<Ip，所以該區(qū)域輸出電流和輸入光通量有線性關(guān)系第三十七頁，共五十頁，2022年，8月28日臨界電阻RM的計(jì)算第三十八頁，共五十頁，2022年，8月28日在電壓軸上選取臨界電壓UM＝0.7Uoc的垂直線，與對應(yīng)伏安曲線相交于M點(diǎn)，這樣也可以得到臨界電阻的負(fù)載線。此處倍數(shù)0.7是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于臨界電阻RM上的電壓UM為

在線性關(guān)系要求不高的情況下，可以利用圖解法簡單地得到臨界電阻RM值。式中，Uoc是對應(yīng)Φmax時(shí)的值，對應(yīng)的輸出電壓的變化為所以，RM值可近似計(jì)算為第三十九頁，共五十頁，2022年，8月28日對確定的負(fù)載電阻如RM，當(dāng)輸入光通量較小時(shí)負(fù)載上的輸出電流和電壓近似地隨入射光通量成正比例增加，而當(dāng)入射光通量較大時(shí)輸出電流和電壓逐漸呈現(xiàn)飽合狀態(tài)。負(fù)載電阻愈大情況愈明顯（如圖中R2的情況）。㈡光通量對輸出信號的影響第四十頁，共五十頁，2022年，8月28日

已知硅光電池2CR32的受光面積為50mm2，在室溫30℃，入射光照度為1000W/m2的條件下，UOC=0.55V，ISC=12×10-3A。在200W/m2~700W/m2照度范圍內(nèi)，求：⑴取得最大線性輸出電壓下最佳負(fù)載RL。

(2)輸出電壓ΔU。⑶輸出電流ΔI。習(xí)題6－2第四十一頁，共五十頁，2022年，8月28日第四十二頁，共五十頁，2022年，8月28日6.3、可變電阻型光電檢測電路的靜態(tài)計(jì)算阻值隨輸入光通量改變的光敏電阻的伏安特性是一組以輸入光功率為參量的通過原點(diǎn)的直線組，在一定范圍內(nèi)光敏電阻阻值不隨外電壓改變，僅取決于輸入光通量Φ或光照度E，并有式中，G為亮電導(dǎo)、Gp是光電導(dǎo)，Gd是暗電導(dǎo)。第四十三頁，共五十頁，2022年，8月28日簡單輸入電路為例：

當(dāng)輸入光通量變化時(shí)，通過光敏電阻的變化ΔR而引起負(fù)載電流的變化ΔIL，有第四十四頁，共五十頁，2022年，8月28日上兩式給出了由于輸出光通量的變化ΔΦ引起的負(fù)載電流和電壓的變化量。第四十五頁，共五十頁，2022年，8月28日1、恒流偏置上式表明輸出信號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。

在輸入電路中的負(fù)載電阻比光敏電阻大得多(RL>>R)的條件下,負(fù)載電流IL變成

這表明負(fù)載電流與光敏電阻值無關(guān)，近似保持常數(shù)。這種電路稱作恒流偏置電路。