光電檢測電路的設(shè)計

1、.第七章 光電檢測電路的設(shè)計 對于大多數(shù)的光電裝置，光電器件需要通過檢測電路才能實現(xiàn)光電信號的變換作用。通常，光電檢測電路是由光電檢光電檢測器件測器件、輸入電路輸入電路和前置放大器前置放大器組成。光電檢測器件輸入電路前置放大器 輸入電路是連接光電器件和電信號放大器的中間環(huán)節(jié)，它的基本作用是為光電器件提供正常的電路工作條件，進(jìn)行電參量的變換（例如將電流和電阻轉(zhuǎn)換為電壓），同時完成和前置放大器的電路匹配。. 輸入電路的設(shè)計應(yīng)根據(jù)電信號的性質(zhì)、大小，光學(xué)的和器件的噪聲電平等初始條件以及輸出電平和通頻帶等技術(shù)要求來確定電路的連接形式和工作參數(shù)，保證光電器件和后級電路最佳的工作狀態(tài)，并最終使整個檢測電路

2、滿足下列技術(shù)要求： 1）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。 2）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)。 3）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。 4）長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。 根據(jù)這些要求，檢測電路的設(shè)計通常包括的步驟為：電路靜態(tài)計算、電路動態(tài)計算和噪聲估算。.一、光電檢測電路的靜態(tài)設(shè)計 檢測電路的靜態(tài)設(shè)計包括光電器件的選擇光電器件的選擇和輸入電路的輸入電路的靜態(tài)計算靜態(tài)計算。 本節(jié)內(nèi)容包括： 光電檢測器件的選擇要點； 恒流源型光電器件輸入電

3、路的靜態(tài)計算； 光伏型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算； 可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算； 檢測器件和放大電路的連接。.1 1、光電檢測器件的選擇要點、光電檢測器件的選擇要點 在以信息檢測和信號傳送為目的的光電系統(tǒng)中，光電檢測光電檢測器件的作用是將載有被測信息的光輻射能量變換為電能器件的作用是將載有被測信息的光輻射能量變換為電能，并在實現(xiàn)這種變換的過程中完成信息的傳遞。 檢測器件是溝通光學(xué)和電子系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié)，它既是光路元件又是電路元件，有著光學(xué)和電子學(xué)的雙重屬性。作為光路元件，它是光信號接收器，是前級光學(xué)系統(tǒng)的輸出端口；作為電路元件，它是信號發(fā)生器，是后續(xù)電子系統(tǒng)的輸入端口。正是由于利用了光

4、電檢測器件的雙重屬性，才建立了光路和電路的聯(lián)系，使彼此間得以連通。因此，光電檢測器件類型的選擇和工作狀態(tài)的確定對光電系統(tǒng)的工作品質(zhì)至關(guān)重要，是系統(tǒng)設(shè)計的一個重要問題。 . 為了提高傳輸效率，無畸變地變換光電信號，光電檢測器件不僅要和被測輻射源及光學(xué)系統(tǒng)，而且要和后續(xù)的電子系統(tǒng)在特性和工作參數(shù)上相匹配，使每個相互連接的器件都處于最佳的工作狀態(tài)。光電檢測器件和光路的匹配是在對輻射源和光路進(jìn)行光譜分析和能量計算的基礎(chǔ)上，通過合理選擇光路和器件的光學(xué)參數(shù)來實現(xiàn)的，這要涉及到工程光學(xué)的內(nèi)容。而光電檢測器件和電路的匹配則應(yīng)根據(jù)選定的光電檢測器件的參數(shù)，通過正確選擇和設(shè)計電路來完成。 . 光電檢測器件的選擇

5、要點：光電檢測器件的選擇要點： 1）檢測器件和輻射源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配 光電系統(tǒng)中光載波信號的能量來源是輻射源或光源。它們可分作兩類，即自然光源和人造光源。輻射能量由光源經(jīng)測試目標(biāo)、傳輸介質(zhì)、接收光學(xué)系統(tǒng)被光電檢測器接收。為了提高有用光信號的能量利用，要求檢測器的光譜靈敏度分布和輻射源的光譜輻射度分布以及各傳輸環(huán)節(jié)的光譜透過率分布相覆蓋。實際上，在含有許多光譜分量的復(fù)合光通量()作用下、探測器的復(fù)合輸出I()是由單色輻射通量作用下的輸出值在整個光譜分布范圍內(nèi)的積分值確定的，即 探測器對波長的電流靈敏度 0)()()(dSII)(IS.0)()()()()()(dSIOfOaI 在輻射源

6、和探測器之間存在選擇性衰減環(huán)節(jié)（如介質(zhì)傳輸、光學(xué)系統(tǒng)和濾光器）時探測器的有效輸出為 式中，o()是由輻射源發(fā)出的復(fù)合光通量， 、 分別是傳輸介質(zhì)、光學(xué)系統(tǒng)和濾光器的透過率光譜分布。 因此，只有這些衰減環(huán)節(jié)的光譜分布盡可能地相互覆蓋才衰減環(huán)節(jié)的光譜分布盡可能地相互覆蓋才可能最充分地利用入射通量可能最充分地利用入射通量。下頁中列出了典型光源和探測器光譜的對應(yīng)曲線 )(a)(O)(f.典型光源和探測器光譜的對應(yīng)曲線典型光源和探測器光譜的對應(yīng)曲線相對光譜輻射亮度曲線1-太陽光 2-日光燈 3-GaP型LED 4-GaAsP型LED 5-雙波段LED 6-鎢絲燈(2854K) 7-GaAs型LEDb)

7、相對探測靈敏度曲線1-檢測型Si光電二極管 2-照相用Si光電二極管 3-平面型Si光電池4-光電三極管 5-臺面型光電二極管 6-視見函數(shù) 7-CdS光敏電阻.2）探測器的光電轉(zhuǎn)換特性和入射輻射能量的大小相匹配 根據(jù)光電系統(tǒng)輻射源的發(fā)光強(qiáng)度、傳輸介質(zhì)和目標(biāo)的傳輸及調(diào)制損耗、接收光學(xué)系統(tǒng)接收孔徑的限制及反射吸收等損失的影響，可以計算出入射到探測器光敏面上的實際輻射能量，通常它們是很微弱的，探測器的選擇應(yīng)充分利用這些有用的信號能量，為此要考慮： 使探測器有足夠高的探測率 ，以確保獲得一定裕度的信噪比。 探測器有合適的靈敏度S，以保證對應(yīng)于入射輻射通量的微小變化，有足夠幅度的電信號輸出。 使入射通

8、量的變化中心處于探測器光電特性的線性范圍內(nèi)，以確保獲得良好的線性檢測。*D.典型光電檢測器件的探測率比較曲線典型光電檢測器件的探測率比較曲線. 3）使檢測器件和光信號的調(diào)制形式、信號頻率及波形相匹配，以保證得到良好的時間響應(yīng)和沒有頻率失真的輸出波形。 為作到這一點，首先要選擇有良好的時間特性或頻率特性的光電器件，此外也取決于電路動態(tài)參數(shù)的選擇。 4）使檢測器件和輸入電路在電特性上匹配以得到良好的電信號輸出。 這包括：足夠的轉(zhuǎn)換系數(shù)和線性范圍、快速的動態(tài)響應(yīng)、良好的信噪比。 5）使檢測器件具有長期工作的可靠性和對工作環(huán)境的適應(yīng)能力。 為使器件工作可靠，需要使器件在額定條件下使用。這些條件包括額定

9、功耗、工作電壓以及工作環(huán)境溫度等。器件的裝置空間、受光面積、電源設(shè)備、價格等在某些情況下甚至是選擇器件的主要考慮因素，需要根據(jù)待設(shè)計系統(tǒng)的要求和條件優(yōu)先選定。.幾種典型光電檢測器件特性參數(shù)的定性比較幾種典型光電檢測器件特性參數(shù)的定性比較. 2、恒流源型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算恒流源型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算 光電檢測電路的設(shè)計任務(wù)是根據(jù)入射光信號的性質(zhì)和大小來選擇輸入電路形式，并估算電路工作狀態(tài)和器件參數(shù)，在保證信號不失真的情況下獲得最大的光電轉(zhuǎn)換能力，同時要使之和后級放大電路相匹配以利于信號的進(jìn)一步傳輸。 緩慢變化的光信號通常采用直流檢測電路。直流電路的計算重點在于確定電路的靜態(tài)工作狀態(tài)

10、，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算。我們將根據(jù)器件伏安特性的性質(zhì)分作：恒流源恒流源型型、光伏型光伏型和可變電阻型可變電阻型三種基本類型，并且以光電二極管為線索介紹它們在各種工作狀態(tài)下的電路計算方法。. 恒流源型光電檢測器件的伏安特性是一組以輸入光照度E或光通量為參量的曲線組。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M。工作電壓加大后曲線逐漸平直。隨輸入光通量的改變，各曲線間逐漸近似平行，間距相等。這種隨器件端電壓增大輸出電流變化不大的性質(zhì)稱恒流源特性。恒流源型光電檢測器件的伏安特性恒流源型光電檢測器件的伏安特性a) 光電倍增管

11、 b) 光電二極管 c) 光電三極管.圖解計算法圖解計算法 利用包含非線性元件的串聯(lián)電路的圖解法： 圖a給出了在反向偏置電壓作用下光電二極管的基本輸入電路。圖中Ub是反向偏置電壓，RL是負(fù)載電阻，與輸入光通量成正比的電壓信號Uo就是從RL的兩端輸出的。Ub、 RL和光電二極管V串聯(lián)連接。bULR 具有恒流源特性的光電檢測器件有光電管，光電倍增管和工作于反向偏置電壓狀態(tài)下的光電二極管以及光電三極管等。將圖中所示伏安特性和晶體三極管集電極特性相比較，其形狀類似，只是光電器件的光電流是由輸入光功率控制而晶體三極管是由基極電流控制。這表明，可以采用與晶體管放大器相類似的方法對恒流型光電器件進(jìn)行分析和計

12、算。計算光電二極管輸入電路的圖解法計算光電二極管輸入電路的圖解法a) 基本電路 b) 圖解法計算.LbIRIUU)(對于這種簡單電路可列出回路方程 或 式中，U(I)是非線性函數(shù)。上式可利用圖解法進(jìn)行計算。如圖b，在伏安特性上劃出負(fù)載線Ub-IRL，它是斜率為-1/RL，通過UUb點的直線，與縱軸交于Ub/RL點上。由于串聯(lián)回路中流過各回路元件的電流相等，負(fù)載線和對應(yīng)于輸入光通量為o時的器件伏安特性曲線的交點Q即為輸入電路的靜態(tài)工作點。當(dāng)輸入光通量由o改變+（或-）時，在負(fù)載電阻RL上會產(chǎn)生-U（或+U）的電壓信號輸出和+I（或-I）的電流信號輸出。LbIRUIU)(. 上述圖解法特別適用于大

13、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。 a) 負(fù)載電阻影響 在圖a中，當(dāng)偏置電壓Ub不變時，對于同樣的輸入光通量o，負(fù)載電阻RL的減小會增大輸出信號電流而使輸出電壓減小。但RL的減小會受到最大工作電流和功耗的限制。為了提高輸出信號電壓應(yīng)增大RL ，但過大的RL會使負(fù)載線越過特性曲線的轉(zhuǎn)折點M進(jìn)入非線性區(qū)，而在這個范圍內(nèi)光電靈敏度S=l/不再是常數(shù)，這會使輸出信號的波形發(fā)生畸變。 123LLLRRR. 另一方面，在圖b中，

14、對應(yīng)于相同的RL值，當(dāng)偏置電壓Ub增大時輸出信號電壓的幅度也隨之增大，并且線性度得到改善。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，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M，以便得到不失真的最大電壓輸出，同時保證Umax不大于器件的最大工作電壓b) 偏置電壓的影響.解析計算法解析計算法 利用如圖所示的折線化伏安特性。它是實際非線性伏安特性的分段折線化，近似畫法視伏安特性形狀而異。通常是在轉(zhuǎn)折點M處將曲線分作兩個區(qū)域。在圖a的情況下是作直線與原曲線相切；在圖b情況下是過轉(zhuǎn)折點M和原點o連

15、線，得到折線化特性的非線性部分，再用一組平行的直線分別和實際曲線的恒流部分逼近，得到折線的線性工作部分。 .0U 折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定： a）轉(zhuǎn)折電壓 ：對應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點M處的電壓值。 b）初始電導(dǎo) ：非線性區(qū)近似直線的初始斜率。 c）結(jié)間漏電導(dǎo)G又稱暗電導(dǎo)：線性區(qū)內(nèi)各平行直線的平均斜率。 d）光電靈敏度S：單位輸入光功率所引起的光電流值。設(shè)輸入光功率為P，對應(yīng)的光電流為 ，則有 S /P 式中的光功率P可以是光通量，單位lm，也可以是光照度E單位lx 。光通量和照度之間的關(guān)系為 AE 式中，A光敏面受光面積。0GpIpI. 利用折線化的伏安特性，可將線性區(qū)內(nèi)任意Q點處的電流值I表示

16、為兩個電流分量的組合：即與二極管端電壓U成正比，由結(jié)間漏電導(dǎo)G形成的無光照電流（暗電流）Id和與端電壓無關(guān)僅取決于輸入光功率的光電流Ip。因此，在線性區(qū)內(nèi)的伏安特性可以解析地表示為 當(dāng)輸入光通量在確定的工作點附近作微量變化時，只需對上式作全微分即可得到微變等效方程為 式中，g= 是微變等效漏電導(dǎo)， s= 是微變光電靈敏度，它們是伏安特性的微變參數(shù)。dsdUgdIdUUIdIUII. 在輸入光通量變化范圍minmax為已知的條件下，用解析法計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 由對應(yīng)最大輸入光通最max的伏安 曲線彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點M。相應(yīng)的轉(zhuǎn) 折電壓 或初始電導(dǎo)值

17、可由圖a中圖示 關(guān)系決定。在線段MN上有關(guān)系 由此可解得 或 上式給出了折線化伏安特性四個基本參數(shù) 、 、G和S間的關(guān)系。max000SGUUG0U0G)/(0max0GGSU0max0/USGG0U0G用解析法計算輸入電路用解析法計算輸入電路a) 確定線性區(qū) b) 計算輸出信號. 2）計算負(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max對應(yīng)的伏安曲線的交點不能低于轉(zhuǎn)折點M。設(shè)負(fù) 載線通過M點，此時由右圖a中的圖示關(guān) 系可得 當(dāng)已知 時，可計算出負(fù)載電導(dǎo)（阻） （ ）為 當(dāng) 1/ 已知時，可計算偏置電源 電壓 為 000)(UGGUULbLGLR)/(000UUUGGbL)(/ )

18、(00maxGGGGGSULLb用解析法計算輸入電路用解析法計算輸入電路a) 確定線性區(qū) b) 計算輸出信號bU/)/1 (/0max0maxGSGGUSbLRLGbU.3）計算輸出電壓幅度 由圖b，當(dāng)輸入光通量由min變化到max時，輸出電壓幅度為UUmax- ，其中Umax和 可由圖中M和H點的電流值計算得到在H點： 在M點： 解上二式得 所以 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。)/()/()(minmaxLLGGSGGSU0Uminmaxmax)(SGUUUGbL0Umax00)(SGUUUGbL)/()()/()(max0minm

19、axLbLLbLGGSUGUGGSUGU.4）計算輸出電流幅度 由圖b，輸出電流幅度為： 可得 通常 G，上式可簡化為 5）計算輸出電功率 由功率關(guān)系P=IU可得 22)/()(LLLGGSGUGPLUGIIIminmax)/1/()(minmaxLLGGSUGILGSSI)(minmax. 3、光伏型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算光伏型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算 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。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

20、光電二極管等。 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和等效電路 .pUUIeIIT) 1(/0 光電池的輸出電流可改寫成如下形式 式中 kT/q26mV （T300K），IpSE 在使伏安特性倒轉(zhuǎn)到第一象限的情況下，伏安特性可表示為 或 相應(yīng)的等效電路表示在上圖b中。光伏型光電器件輸入電路的計算將根據(jù)前述的表達(dá)式和相應(yīng)的伏安曲線以及電路方程進(jìn)行。TU) 1(/0TUUpeIII00/)(lnIIIIUUpT. 其中上圖a是光伏器件直接和負(fù)載電阻連接的電路，稱作無偏置電路。在圖b的電路中，負(fù)載電阻上除串聯(lián)光伏器件外尚有與器件端電壓相反方向的偏置電源，組成反向偏置電路。圖c是

21、作為能源變換器使用的太陽能電池充電電路。通常光電池多采用上圖a和c的電路，光電二極管多采用上圖b的電路。 . 利用圖解計算法，對給定的輸入光通量 ，只要選定負(fù)載電阻RL ，工作點Q即可由負(fù)載線與光電池伏安曲線的交點確定。該點處的電流電壓值IQ與UQ即為RL上的輸出值。相對 的光通量增量將形成對應(yīng)的電流變化I和電壓變化U。 上圖給出了無偏置光電池輸入電路的等效電路（圖a）及其計算圖解（圖b）。對圖a的回路建立電路方程，有 I=Ip+Id 和) 1(/0TUUpeIII下面以光電池為例介紹無偏置電路的靜態(tài)計算方法。0LIRU 0. 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

22、在上圖a中，對應(yīng)光通量的增量1-2，在短路狀態(tài)下（RL0），輸出電流增量IISC1-ISC2，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RL之后負(fù)載上的電壓變得飽合（見上圖b）。.) 1(/0TLUIRpeIII 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上圖b中。/ )/ln(00IIRUIUULpT)(ln)(00IIRUIRUUIUPLpLT 另一方面，輸入光通量也影響輸入電路的工作狀態(tài)。由圖中可以看出，對確定的負(fù)載電阻如RL，當(dāng)輸入光通量較小時負(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

23、通量較大時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a中R2的情況）。 可以定量地描述負(fù)載電阻和入射光通量對電路工作狀態(tài)（I、U、P）的影響：.SIeIIIscRUIRpLTL0/0| ) 1(1）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)電流放大級作為負(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。由上圖a中可看到由于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 SI 由圖b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區(qū)域，分別由

24、圖中、表示。下面討論前三種工作狀態(tài) . 此外，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。 短路電流和開路電壓隨受光面積的變化曲線短路電流和開路電壓隨受光面積的變化曲線 .)/ln()/ln() 1/ln()/(000ISUIIUIIqKTUTpTpoc 2）空載電壓輸出 這是一種非線性電壓變換狀態(tài)。此時光電池應(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 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

25、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，如上圖所示。 已知在給定入射光功率（光照度E或光通量）下的開路電壓Uoc，可以求出另一個入射光功率（光照度E或光通量）下的開路電壓Uoc。由上式，有 0lnlnIUIUUTpToclnln0IUIUUTpToc.)/ ln(lnlnppTocpTpTococIIUUIUIUUU 聯(lián)立求解上二式，有 所以 通常光電池的開路電壓為0.450.6V，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。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

26、化較大，這對弱光信號的檢測特別有利。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。 )/ ln()/ ln(EEUUUUUTocTococ.) 1(/0TLUIRpeIII3）線性電壓輸出 由圖負(fù)載電阻對光電池輸出電壓電流和功率的影響負(fù)載電阻對光電池輸出電壓電流和功率的影響中b的區(qū)域可見，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，但卻引起輸出信號的非線性畸變。為了確定負(fù)載電阻的臨界條件，可利用式 顯然，在 很大時式中的指數(shù)項不能忽略。將上式展開成冪級數(shù)，忽略高階項，上式可簡化為 IS 上式要求 1。由于 I， 所以只要滿足

27、條件 1 就可以得到輸出電流和輸入光強(qiáng) 的線性關(guān)系。LRTLURI/0負(fù)載電阻對光電池輸出電壓電流和功率的影響負(fù)載電阻對光電池輸出電壓電流和功率的影響0ITLUIR /.TU 令最大線性允許光電流為Is，相應(yīng)的光通量為s，則可得到輸出最大線性電壓的臨界負(fù)載電阻Rs為 RsR，此時負(fù)載電流 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。隨輸入光通量的變化，負(fù)載電流的變化I變成 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。此外可以證明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。但是由于 很大，為使光敏電阻正常工作的偏置電

28、壓則很高（達(dá)100V以上），這給使用帶來不便。為了降低電源電壓，通常采用晶體管作恒流器件來代替 。LILbLRUI/2)/(LbRRSUILRLRLR. (2)恒壓偏置 在負(fù)載電阻 比光敏電阻小得多時有 R，此時偏置電壓UL變成 0 因此，光敏光阻上的電壓 近似與電源電壓 相等。這種光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱作恒壓偏置。負(fù)載上的信號電壓變成 式中S=G是光敏電阻的電導(dǎo)變化量，是引起信號輸出的原因。上式表示恒壓偏置的輸出信號與光敏電阻值無關(guān)，僅取決于電導(dǎo)的相對變化，這樣，檢測電路在更換光敏阻值時對電路初始狀態(tài)影響不大。這是該電路的優(yōu)點。LRLRLURUbUbLUSUR. 2)電橋輸入電路

29、為避免可變電阻型器件受環(huán)境溫度的影響常采用電橋電路。以熱敏電阻為例，選擇性能相同的兩個熱敏電阻 和 作電橋測量臂的電阻，普通電阻作為補(bǔ)償臂電阻，外加電源電壓為 。在無輻射照射時，調(diào)節(jié)補(bǔ)償電阻 ，使電橋平衡。此時 2TRbU2R1221RRRRTT熱敏電阻電橋電路熱敏電阻電橋電路 1TR.1TR 電橋輸出信號為Uo0。當(dāng)有輻射作用于熱敏電阻 上時，溫升T引起電阻的改變?yōu)?式中， 為熱敏電阻 的暗電阻。此時電橋平衡破壞，開路電壓Uo為 在弱輻射作用下有RRo，則負(fù)載功率Po為 另一方面，計算光電二極管直接與負(fù)載電阻相連時負(fù)載上的功率 ，比較兩種情況可見，采用阻抗變換器可以使功率輸出提高 倍。例如，

30、當(dāng) 1M， 10M時，功率提高100倍。這種電路的時間特性較差，但用在信號帶寬沒有特殊要求的緩變光信號檢測中， 可以得到很高的功率放大倍數(shù)。此外，用場效 應(yīng)管代替雙極性晶體管作前置極，其偏置電流 很小，因此適用于光功率很小的場合。LRLRLpfLLLRIRRURRRUP/)/(22202020021pLPIR2)/(LfRRLRfR.二、光電檢測電路的動態(tài)設(shè)計 在許多場合下，光電檢測電路接收到的是隨時間變化的光信號，例如瞬變信號或各種形式的調(diào)制光信號。這類信號的特點是信號微弱，需要多級放大以及信號中包含著豐富的頻率分量等。與緩慢變化光信號檢測電路的靜態(tài)計算不同，在分析和設(shè)計交變光信號檢測電路時

31、，需要解決下述幾項動態(tài)計算問題，即： 1）確定檢測電路的動態(tài)工作狀態(tài)，使在交變光信號作用下負(fù)載上能獲得非線性失真最小的電信號輸出。 2）使檢測電路具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，以能對復(fù)雜的瞬變光信號或周期性光信號進(jìn)行無頻率失真的變換和傳輸。. 1、輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計算輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計算 在交變光信號輸入電路中，為提供檢測器件的正常工作條件首先要建立直流工作點。另一方面輸入電路和后續(xù)電路通常是經(jīng)阻容連接等多種方式耦合的。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)組成檢測器的交流負(fù)載。這是不同于靜態(tài)計算的主要區(qū)別之一?，F(xiàn)以光電二極管的兩種工作狀態(tài)為例介紹它們的動態(tài)計算方法。 .tE

32、Eemsin0 1)光電二極管交流檢測電路 圖a給出了反向偏置光電二 極管交流檢測電路的基本形式。 首先確定在交流光信號作 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 的形式，光照度的變化范圍為 。若在信號通頻帶范圍內(nèi)，耦合電容Cc可認(rèn)為是短路，則等效交流負(fù)載電阻是 和 的并聯(lián)。對應(yīng)的交流負(fù)載線MN應(yīng)該通過特性曲線的轉(zhuǎn)折點M，以便能充分利用器件的線性區(qū)間，其斜率由 和 的并聯(lián)電阻決定。交流負(fù)載線與光照度E 對應(yīng)的伏安特性相交于Q點，該點對應(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。通過Q點作直流負(fù)載線可以圖解得到偏置電阻 和電源 的值。反向偏置光電二極管交流檢測

33、電路及計算反向偏置光電二極管交流檢測電路及計算a) 檢測電路 b) 圖解法mEE 0bRLRLRbR0EbRbU.)/(bLmmGGIU下面來計算負(fù)載 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)系計算。若交流負(fù)載線的斜率是 + ，設(shè)交流負(fù)載總電流峰值為Im，則有 另一方面，在圖中的線段MH上有 代入上式，有 負(fù)載電阻 上的輸出功率 為 式中， 是負(fù)載 上的電流峰值，有 mLLmLUGRUI/LPLRbGLGmmEmgUESI)/(gGGESUbLmEmLR2/mLLUIP 2)/()2/(gGGESGPLbmELLLR.gGGbL0 將 對

34、求偏微分計算最大功率輸出下的負(fù)載電阻 1/ ，可得 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 和輸出電流峰值Imo，為 最大功率輸出條件的直流偏置電阻 和電源電壓 可用解析法計算。靜態(tài)工作點Q的電流值由伏安特性有 由負(fù)載線有 求解上二式，有 LmP0LG0LR2/8/)(2/200200moLLmELmLmEmUGGESPGESU0ESgUIEQQ0bRLRLPbU0)(bQbQGUUI000bEbbQGGESUGU.負(fù)載電阻在電壓軸上工作點Q處的電壓UQ為： MbmEMmQUGGESUUU)(200對比可得：對比可得：0000)(2bEbbMbmEGGESUGUGGES

35、解得：解得：)(22)2(00MbMmEbUUGUEESGMmEMbbGUEESUUR2)2()(200.tEEemsin02)光電池交流檢測電路 圖a是光電池交流檢測電路。圖b是處于線性區(qū)域的工作特性圖解。圖中直流負(fù)載是通過原點，斜率為 的直線。當(dāng)輸入光照度為 時，光電池特性曲線中對應(yīng)于 的曲線與直流負(fù)載線相交于Q點，Q是靜態(tài)工作點。交流負(fù)載線通過Q點，斜率為 ，該負(fù)載線與最大輸入光照度 對應(yīng)的光電池曲線相交于M點。M點的電壓 應(yīng)滿足 式中， 是與正弦輸入的光照度相對應(yīng)的輸出電壓峰值。 對于 的最大功率輸出條件下輸出電壓、功率和電流有類似的形式。偏置電阻的數(shù)值可計算為 bG0EE LbGGm

36、EEe0MUocmQMUUUU6 . 0mU0LbLGGG)2(/2000mEMLbEESURR.2 2、光電檢測電路的頻率特性、光電檢測電路的頻率特性 光電器件自身的慣性和檢測電路的耦合電容、分布電容等非電阻性參數(shù)的存在使光電檢測電路需要一個過渡過程才能對快速變化的輸入光信號建立穩(wěn)定的響應(yīng)。為了表征這種動態(tài)響應(yīng)能力，通常采用兩種分析方法，即時域分析法和頻域法。前者以經(jīng)典的微分方程法為基礎(chǔ)，通過求解微分方程得到輸出響應(yīng)的時間表達(dá)式。這種方法的全部計算都是在時間范圍內(nèi)進(jìn)行，可以獲得有關(guān)過渡過程的直觀描述，但一般計算繁瑣，缺乏明確的規(guī)律性。 以傅里葉變換為基礎(chǔ)的頻域分析法是基于下述的基本出發(fā)點：

37、1）多數(shù)情況下任何復(fù)雜的信號激勵都可看成為若干諧波信號的疊加。 2）對于確定的環(huán)節(jié)，描述它對不同諧波輸入信號的響應(yīng)能力的頻率特性是唯一確定的，是環(huán)節(jié)對交變信號動態(tài)響應(yīng)的表征。. 3）多級檢測系統(tǒng)可以用其組成單元的頻率特性間的簡單計算得到系統(tǒng)的綜合頻率特性，有利于復(fù)雜系統(tǒng)的綜合分析。 有關(guān)光電檢測器件的頻率響應(yīng)已在相應(yīng)各章節(jié)中介紹。需要強(qiáng)調(diào)指出的是，在光電器件以各種耦合方式和電路器件組成檢測電路時，其綜合動態(tài)特性不僅與光電器件本身有關(guān)，而且主要取決于電路的形式和阻容參數(shù)，需要進(jìn)行合理的設(shè)計才能充分發(fā)揮器件的固有性質(zhì)，達(dá)到預(yù)期的動態(tài)要求。工程上描述檢測通道頻率響應(yīng)的參數(shù)是通道的通頻帶F，它是檢測電

38、路上限和下限截止頻率所包括的頻率范圍。F愈大，信號通過能力愈強(qiáng)。 本節(jié)將以器件等效電路為基礎(chǔ)，介紹檢測電路的頻率特性，并給出根據(jù)被測信號的技術(shù)要求設(shè)計檢測電路的實例。.eS = i+i+i+iEbjgL 1)光電檢測電路的高頻特性 除熱釋電探測器件外，大多數(shù)的光電、熱電探測器件對檢測電路的影響突出地表現(xiàn)在對高頻光信號響應(yīng)的衰減上。因此，首先討論光電檢測電路的高頻特性。 現(xiàn)以反向偏置光電二極管交流檢測電路為例，圖中給出了該電路的微變等效電路圖。這里忽略了耦合電容Cc的影響，因為對于高頻信號Cc可以認(rèn)為是短路的。但光電二極管結(jié)電容Cj的作用必須考慮。列出該電路的電路方程為 .gjLLbbLi /g

39、 = i /j C = i /G = i /G = uj 式中， 是輸入光照度， 是負(fù)載電流， 是偏置電流， 是結(jié)電容電流， 是光電二極管反 向漏電流。式中各光、電量均是復(fù)數(shù)值。 求解上二式可得 將 改寫成下列形式 式中， 稱作檢測電路的時間常數(shù)。由上式可見檢測電路的頻率特性不僅與光電二極管參數(shù) 和g有關(guān)，而且取決于放大電路的參數(shù) 和 。 tsinEE=em0Li bi ji gi )j+G+G+e/(gS ubLELjCLLL/RuiLu)j+)/(1G+G+e/(gS )G+G+/(gCj+)/1G+G+e/(gSubLEbLjbLELjC )G+G+/(gCbLjLGbG.bbLGg R

40、R 對應(yīng)檢測電路的不同工作狀態(tài)，頻率特性可有不同的簡化形式。 (1)給定輸入光照度，在負(fù)載上取最大功率輸出時，要求滿足 此時 時間常數(shù) 上限頻率 )j+e/(1S/2)(RuELL/2CRjLjCLHCR1/1/2f.jCLHCR1/2f(2)電壓放大時希望在負(fù)載上取得最大電壓輸出，要求滿足 此時 時間常數(shù) 上限頻率 (3)電流放大時希望在負(fù)載上取得最大電流，要求滿足： 此時 時間常數(shù) 上限頻率bLbLGg ）10RbR（例如 RR且)j+/(1eRSubELjbCRjbHCCR1/2f很小g且RRbL)j+/(1eRSuLELjLCR.LR 可見，為了從光電二極管中得到足夠的信號功率和電壓，

41、負(fù)載電阻 和 不能很小。但過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 取得很小。并通過后級放大得到足夠的信號增益，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通頻帶的前提下提高信號的輸出電壓。 bR LR .三、光電檢測電路的噪聲估算 實際的光電檢測電路存在有各種外部擾動外部擾動和內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲。外部擾動包括輻射源的隨機(jī)波動和附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)的湍流和背景起伏、雜散光的入射以及檢測電路所受到的電磁干擾等。這些擾動可以通過穩(wěn)定輻射光源

42、、遮斷雜光、選擇偏振面或濾色片以及電氣屏蔽、電干擾濾波等措施加以改善或消除。光電檢測器件、輸入電路和前置放大器等的器件固有噪聲是光信號檢測接收的另一主要擾動源。這些內(nèi)部噪聲是隨機(jī)起伏的，覆蓋在很寬的頻譜范圍內(nèi)，它們和有用信號同時存在，相互混淆，限制了檢測系統(tǒng)分辨率的提高。因此，在光電檢測電路設(shè)計中，要進(jìn)行綜合噪聲估算以確?？煽繖z測所必需的信噪比。 .系統(tǒng)的噪聲可分為來自外部的干擾噪聲和內(nèi)部噪聲。內(nèi)部固有噪聲是由于系統(tǒng)各元器件中帶電微粒不規(guī)則運(yùn)動的起伏所造成，它們主要是熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生一復(fù)合噪聲、1/f噪聲和溫度噪聲等。噪聲描述：噪聲電壓或噪聲電流的均方根值則可用Un,In表示 22nnU

43、I 、.1、檢測電路的噪聲等效處理1）熱噪聲當(dāng)溫度高于絕對零度時，器件內(nèi)部雜亂無章的自由電子的熱運(yùn)動，形成起伏變化的噪聲電流。大小與極性均在隨機(jī)地變化著，且長時間的平均值等于零。 .噪聲電壓均方值取決于材料的溫度 2124fnfUKTR f df式中式中, ,K是波爾茲曼常數(shù)；是波爾茲曼常數(shù)；T T是材料的絕對溫度；是材料的絕對溫度；R(f)表示電表示電阻隨頻率的變化關(guān)系；阻隨頻率的變化關(guān)系；f=f2-f1是熱噪聲的頻譜分布寬度。是熱噪聲的頻譜分布寬度。噪聲電流均方值：噪聲電流均方值：24nIKT f R12(4)nIKT f R.噪聲電壓均方值：2224nnUIRKTR f12(4)nUKT

44、R f室溫下熱噪聲的有效帶寬室溫下熱噪聲的有效帶寬 B(kT/h)(2/6) 0.28GHz 噪聲功率譜密度噪聲功率譜密度在頻率在頻率f1012Hz的整個無線電頻帶內(nèi)是的整個無線電頻帶內(nèi)是平坦平坦的，電阻熱噪聲是一種白噪聲。的，電阻熱噪聲是一種白噪聲。 .溫度為T=300K時 2）散粒噪聲）散粒噪聲又稱散彈噪聲。元器件中有直流電流通過時，直流電流值又稱散彈噪聲。元器件中有直流電流通過時，直流電流值只表征其平均值，而微觀的隨機(jī)起伏形成散彈噪聲，并疊只表征其平均值，而微觀的隨機(jī)起伏形成散彈噪聲，并疊加在直流電平上。加在直流電平上。nUnI.散粒噪聲電流均方值為：fqI2IDC2nq為電子電荷量；為

45、電子電荷量；IDC為光電流平均值。也是與頻率無關(guān)的白為光電流平均值。也是與頻率無關(guān)的白噪聲。噪聲。 噪聲電流有效值噪聲電流有效值 fqI2IDCn噪聲電壓噪聲電壓 fqI2RRIUDCnn光電流的直流分量光電流的直流分量Ip，也同樣引起散粒噪聲，即，也同樣引起散粒噪聲，即 fqIIpnp 22.3）1/f噪聲又稱閃爍噪聲，是由元器件中存在局部缺陷或有微量雜質(zhì)所引起的，在探測器、電阻、晶體管及電子管中均有這類噪聲。 1/f噪聲ffIkIin2一般取一般取2 ，1 ，有：，有：ffIkIin22噪聲功率譜集中在低頻，也稱為低頻噪聲。噪聲功率譜集中在低頻，也稱為低頻噪聲。 .4）產(chǎn)生-復(fù)合噪聲光電導(dǎo)

46、探測器因光(或熱)激發(fā)產(chǎn)生載流子和載流子復(fù)合(或壽命)這兩個隨機(jī)性過程，引起電流的隨機(jī)起伏形成產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。222241)/(4ffqIIen產(chǎn)生產(chǎn)生- -復(fù)合噪聲與頻率復(fù)合噪聲與頻率f有關(guān)，屬于非白噪聲。但在相對低頻有關(guān)，屬于非白噪聲。但在相對低頻的條件下，即的條件下，即4 42f221時，公式可簡化為時，公式可簡化為fqIIen)/(42/eG 光電導(dǎo)器件的內(nèi)增益光電導(dǎo)器件的內(nèi)增益 令令載流子的平均壽命， 載流子的渡越時間e.5）溫度噪聲熱敏器件因其溫度起伏所引起的噪聲，該噪聲用溫度起伏的均方值表示： )1 (42222QnGfkTTk- -波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)；T- -熱敏器件的絕對溫度；熱敏器件的絕對溫度；GQ- -器件的熱導(dǎo)。器件的熱導(dǎo)。. 在純電阻的簡單情況下，R與頻率無關(guān)，熱噪聲的輸出取決于檢測電路的實際通頻帶f，此時 相應(yīng)的噪聲電流均方值為 當(dāng)溫度為T300K時， ，電阻的噪聲電壓和電流有效值變成 例如，對于室溫下的1M電阻，如果檢測電路的放大倍數(shù)為1，則輸出的熱噪聲電壓有效值在電路通頻帶為f30kHz時是22.3V，通頻帶為10MHz時是400V，而整個白噪聲的輸出電壓為413mV。由此可見，檢測電路通頻帶對白噪聲輸出電壓有很強(qiáng)的抑制作用。222/4/nnIURkT fRJkT211014. 4101/241.29 10nUkTR fJR f