南理工光電檢測技術(shù)課程06緩變光信號(hào)檢測電路的設(shè)計(jì)匯

第六章、緩變光信號(hào)檢測電路的設(shè)計(jì)光電檢測電路是由光電檢測器件、輸入電路和前置放大器組成。⑶光電器件輸出的微弱電信號(hào)由前置放大器進(jìn)行放大，前置放大器的另一作用就是匹配后置處理電路與檢測器件之間的阻抗。Evaluation

only.ated⑴w光i電t檢h測A器s件po把s被e測.光Sl信i號(hào)d轉(zhuǎn)e換s成f相or應(yīng)的.N電E信T號(hào)3。.5

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Profi⑵輸入電路為C光op電y器r件i提gh供t正2常0的0工4作-2條0件1，1進(jìn)A行s電po參s量e變P換t（y如L將t電d.流或電阻轉(zhuǎn)換成電壓），同時(shí)完成和前置放大器的電路匹配。⑴靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力：使給定的輸入光信號(hào)在允許的非線性失真條件下有最佳的信號(hào)傳輸系數(shù)，得到最大的功率、電壓或電流輸出。檢測電路應(yīng)滿足下列技術(shù)要求：Evaluation

only.ated

⑵wi快t速h速A的s動(dòng)po態(tài)s響e.應(yīng)S能li力d：es滿f足or信.號(hào)N通ET道3所.要5

求Cl的i頻en率t選Pr擇ofi性或?qū)λ沧冃臗號(hào)o的py快r速i速g響ht應(yīng)2。004-2011

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Ltd.⑶最佳的信號(hào)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(hào)功率。⑷長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。緩慢變化的光信號(hào)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Ev法a來lu計(jì)a算ti。on

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Profi我們將根C據(jù)op器y件ri伏g安ht特2性0的0的4性-2質(zhì)0分11作A：s恒po流s源e

型Pt、y光Lt伏d型.和可變電阻型三種基本類型。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Evaluation

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Profi⑴在工作電C壓op較yr小i的gh范t圍2內(nèi)00曲4線-2呈0彎11曲A的sp趨o勢se，P并t且y

有Lt一d轉(zhuǎn).折點(diǎn)M。⑵工作電壓加大后曲線逐漸平直。⑶對(duì)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。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。Evaluation

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Ltd.一、圖解計(jì)算法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Evaluation

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Profi式中，U(I)是非線C性o函p數(shù)yr。i上g式h可t利2用00圖4解-法2進(jìn)01行1計(jì)A算s。pose

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Ltd.如果輸入光通量為Φo，則負(fù)載線和對(duì)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+ΔΦE（v或a-lΔuaΦt）i時(shí)o時(shí)n，在o在n光l電y二.極管兩端產(chǎn)生at-eΔUd（w或i+tΔhU）A的s電po壓s信e號(hào).和Sl+ΔiId（e或s-ΔfIo）r的.電N流E信號(hào)T信3。.。5

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Ltd.⑵光通量對(duì)輸出信號(hào)的影響⑶負(fù)載對(duì)輸出信號(hào)的影響Evaluation

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Ltd.當(dāng)偏置電壓Ub不變時(shí)，對(duì)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(huì)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(huì)使輸出信號(hào)的波形發(fā)生畸變。⑷電源對(duì)電路的影響Evaluation

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Ltd.但電路的功耗隨之加大，并且過大的偏置電壓會(huì)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(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Ub不大于器件的最大工作電壓Umax。圖解法特別適用于大信號(hào)狀態(tài)下的電路分析。例如在大信號(hào)檢測情況下可以定性地看到輸出信號(hào)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(dòng)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：Evaluation

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Ltd.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Evaluation

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Ltd.折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：⑴轉(zhuǎn)折電壓U0：對(duì)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。Evaluation

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Ltd.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。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。Evaluation

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Profi⑴由對(duì)應(yīng)最大輸入C光o通p量yrΦimaxg的h伏t安2曲0線04-2011

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Ltd.彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。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+SΦmax0

max0或

G0＝G+SΦmax/U0由此可解得Evaluation

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wUit＝hSΦA(chǔ)sp/o(sGe-.GS)lides

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Ltd.⑴當(dāng)已知Ub時(shí)，可計(jì)算出負(fù)載電導(dǎo)（阻）GL（RL）為為保證最大線性輸出條件，負(fù)載線和與Φmax對(duì)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Evaluation

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Ltd.⑵當(dāng)RL已知時(shí)，可計(jì)算偏置電源電壓Ub為Evaluation

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Ltd.當(dāng)輸入光通量由Φmin變化到Φmax時(shí)，輸出電幅度為壓壓到其中Umax和U0可由圖中M和H點(diǎn)的電流E值va計(jì)l算u得ation

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Ltd.輸出電流幅度為：通常GL>>G，上式可簡化為Evaluation

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Ltd.⑵

輸出電壓ΔU。 (3)輸出電流ΔI。Evaluation

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Profi已知硅光C電o二py極r管ig2hDtU22的0靈04敏-度20S1i=10.A5s5pμoA/sμeW，Pt結(jié)y間L漏t漏d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。Evaluation

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Ltd.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Ev。aluation

only.a由te于d器w件i的t端h電A壓sUp和o電se流.IS的l方i向des

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Profi相反，對(duì)外電路形C成op電y勢r，i所gh以t具2004-2011

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Ltd.有賦能元件的性質(zhì)，可對(duì)負(fù)載供電。光伏型光電器件的伏安特性和等效電路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。⑴光電池的輸出電流為：⑵光電池的兩端電壓為：Evaluation

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Ltd.無偏置電路及其等效電路Evaluation

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Ltd.㈠負(fù)載對(duì)輸出信號(hào)的影響例如在圖中，對(duì)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。由于光電池特性的非線性，負(fù)載電阻的選擇會(huì)影響光電池的輸出信E號(hào)v。aluation

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Ltd.根據(jù)上述公式，在同一入射光通量下，負(fù)載電阻對(duì)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(duì)電路工作狀態(tài)（I、U、P）的影響：Evaluation

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Ltd.⑴短路或線性電流放大L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E小v。a由luation

only.at圖e可d看w到i由th于RAs很p小o，s輸e.出S電l流i接de近s于for

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Profi短路電流，它與C入o射p光y通ri量g有h良t好2的0線04-2011

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Ltd.性關(guān)系，即優(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(hào)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。Evaluation

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Ltd.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(jí)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Evaluation

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Ltd.上式表明開路電壓與入射光通量的對(duì)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(duì)數(shù)成正比，如圖所示。Evaluation

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Ltd.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Evaluation

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Ltd.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，由伏安特性可以空載電壓輸出電路的優(yōu)缺點(diǎn)Evaluation

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Profi看到對(duì)于較小的入射光通量，開路電壓輸出變化較大，這對(duì)弱光信號(hào)的檢測特別有利。Copyright

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Ltd.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。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(hào)電壓。增大負(fù)載電阻有助于提高電壓，但當(dāng)負(fù)載增大M時(shí)，輸出信號(hào)開始非線性畸變。Evaluation

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Profi到某一臨界值R

C(最o佳py負(fù)r載i電g阻ht)

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Ltd.上式展開成冪級(jí)數(shù)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Evaluation

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Profi當(dāng)(IRL/UT)<<1時(shí)，C忽o略py高r階i項(xiàng)g，ht上式20可0簡4化-為2011

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Ltd.臨界電阻RM的計(jì)算Evaluation

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Ltd.在電壓軸上選取臨界電壓UM＝0.7Uoc的垂直線，與對(duì)應(yīng)伏安曲線相交于M點(diǎn)，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(duì)應(yīng)Φmax時(shí)的值，對(duì)應(yīng)的輸出電壓的變化為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)據(jù)。由于臨界電阻RMEvaluation

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Ltd.所以，RM值可近似計(jì)算為㈡光通量對(duì)輸出信號(hào)的影響Evaluation

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Ltd.對(duì)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）。Evaluation

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Profi已知硅光C電o池py2CrRi3g2h的t受2光00面4積-2為01501mmA2s，p在os室e溫P3t0y℃L，td入.射光照度為1000W/m2的條件下，U

=0.55V，I

=12×10-3A。OC

SC在200~700

W/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。Evaluation

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Ltd.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，僅取決于輸入光式中，G為亮電導(dǎo)、Gp是光電導(dǎo)，Gd是暗電導(dǎo)。Evaluation

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Profi通量Φ或光照度E，并有Copyright

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Ltd.簡單輸入電路為例：Evaluation

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Ltd.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。Evaluation

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Ltd.1、恒流偏置上式表明輸出信號(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。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變成置電路。隨輸入光通量ΔΦ的變化，負(fù)載電流的變化ΔI變成Evaluation

only.ate這表d這w明i明t負(fù)h載A電s流p與o光s光e敏.電S阻l值i值d無e關(guān)s，f近o似r保.持N常E常T數(shù)。3。.這5種C電l路i稱e作n作t恒流P流r偏ofiCopyright

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Ltd.優(yōu)點(diǎn)：恒流偏置的電壓信噪比較高，因此適用于高靈敏度測量，這是它的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：但是由于R

很大，為使光敏電阻正常工作的偏置電L壓則很高（達(dá)100V以上），這給使用帶來不便。為了降低電源電L壓，通常采用晶體管作恒流E器va件l來u來a代ti替oRn。only.ated

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Ltd.2、恒壓偏置R

b在輸入電路中的負(fù)載電阻比光敏電阻小得多

(RL<<R)的條件下,負(fù)載電壓UL變成式中SΔΦ=ΔG是光敏電阻的電導(dǎo)變化量，是引起信號(hào)輸出的原因。上式表示恒壓偏置的輸出信號(hào)與光敏電阻值無關(guān)，僅取決于電導(dǎo)的相對(duì)變化，這樣，檢測電路在更換光敏阻值時(shí)對(duì)電路初始狀態(tài)影響