光電探測器的偏置電路_第1頁
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文檔簡介

光電探測器的偏置電路1第一頁,共六十八頁,2022年,8月28日4.1.1探測器伏安特性回顧及基本概念4.1.2可變電阻型探測器的偏置和設(shè)計4.1.3恒流源型探測器的偏置和設(shè)計4.1.4光生電勢型探測器的偏置和設(shè)計4.1 光電探測器的偏置電路2第二頁,共六十八頁,2022年,8月28日4.1.1探測器的伏安特性回顧及基本概念3第三頁,共六十八頁,2022年,8月28日可變電阻型光生電勢型

恒流型PC器件電阻型熱探測器(加偏置,不分正負(fù))

PV器件,PMT(加反向偏置)

光電池(不加偏置

一、探測器的伏安特性4第四頁,共六十八頁,2022年,8月28日1.可變電阻型探測器的伏安特性光電導(dǎo)探測器(光敏電阻)5第五頁,共六十八頁,2022年,8月28日2.恒流源型探測器的伏安特性(1)光電倍增管陽極與末極倍增極間的電壓/VI/μA6第六頁,共六十八頁,2022年,8月28日(2)光伏探測器

7第七頁,共六十八頁,2022年,8月28日(a)光電二極管8第八頁,共六十八頁,2022年,8月28日(b)光電三極管9第九頁,共六十八頁,2022年,8月28日3.光生電勢型探測器的伏安特性光電池10第十頁,共六十八頁,2022年,8月28日靜態(tài):當(dāng)電路沒有輸入信號時(對光信號而言指恒定的或緩慢變化的光信號),電路中各處的電壓、電流都是不變的直流,稱為直流工作狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),簡稱靜態(tài)。在靜態(tài)工作情況下,負(fù)載線和伏安特性曲線的交點稱為靜態(tài)工作點。動態(tài):當(dāng)電路輸入信號后,電路中各處的電壓、電流處于變動狀態(tài),這時電路處于動態(tài)工作狀態(tài),簡稱動態(tài)。如在許多場合下,光電檢測電路接受到的是隨時間變化的瞬變信號或各種形式的調(diào)制光信號。在動態(tài)工作情況下,負(fù)載線和伏安特性曲線的交點稱為動態(tài)工作點。1.靜態(tài)和動態(tài)二.基本概念11第十一頁,共六十八頁,2022年,8月28日

電路中直流信號和交流信號是同時存在的,為了分析研究方便,將兩種信號對電路的作用分開討論,即分為直流通路和交流通路。直流通路:在直流電源作用下直流電流流過的通路,即靜態(tài)電流通路。主要用于求解靜態(tài)工作點。直流通路的確定方法:(a)將電容開路;(b)將電感短路,忽略內(nèi)阻;(c)信號源短路,保留內(nèi)阻。2.直流和交流通路12第十二頁,共六十八頁,2022年,8月28日交流通路:在輸入信號作用下交流電流流過的通路,即動態(tài)電流通路。主要用于確定電路的動態(tài)參數(shù)。交流通路的確定方法:(a)將電容視為短路;(b)將電感視為開路;(c)將直流電源視為短路。(小內(nèi)阻)信號的不同分量可以分別在不同的通路中分析。在分析電路時,應(yīng)遵循“先靜態(tài),后動態(tài)”的原則,求解靜態(tài)工作點Q時應(yīng)用直流通路,求解動態(tài)參數(shù)時應(yīng)用交流通路,兩種通路必須分清,不可混淆。13第十三頁,共六十八頁,2022年,8月28日RC耦合共射放大電路開路開路RB+ECRCC1C2T直流通道RB+ECRC利用上述原則,阻容耦合共射放大電路的直、交流通路分別為:14第十四頁,共六十八頁,2022年,8月28日對交流信號(輸入信號ui)短路短路置零RB+ECRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路15第十五頁,共六十八頁,2022年,8月28日4.1.2可變電阻型探測器的偏置和設(shè)計16第十六頁,共六十八頁,2022年,8月28日:探測器電阻:偏置電阻(或負(fù)載電阻)一、基本偏置的靜態(tài)設(shè)計1.圖解法負(fù)載回路方程伏安曲線負(fù)載線伏安特性(緩變輻射)17第十七頁,共六十八頁,2022年,8月28日2.解析法偏置電流輸出點電壓光敏電阻功耗入射輻射變化時,偏置電阻RL兩端的輸出信號電流、電壓變化為

?電路參數(shù)確定后,輸出信號變化與入射輻射量的變化成線性關(guān)系。

18第十八頁,共六十八頁,2022年,8月28日設(shè)入射于光敏電阻的輻射為調(diào)制輻射正弦,RLRd~ipCdVL等效微變電路基本偏置電路二、基本偏置的動態(tài)設(shè)計19第十九頁,共六十八頁,2022年,8月28日輸出的交流部分電流輸出的交流部分電壓交流負(fù)載線20第二十頁,共六十八頁,2022年,8月28日檢測微弱信號時需考慮器件的固有噪聲:熱噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲及1/f噪聲光敏電阻若接收調(diào)制輻射,其噪聲的等效電路如圖所示ipingrintinfRLRdCd考慮噪聲時的噪聲等效電路21第二十一頁,共六十八頁,2022年,8月28日4.1.3恒流源型探測器的偏置和設(shè)計(光電二極管)參考:孫培懋,光電技術(shù)康華光,電子技術(shù)基礎(chǔ),第三版22第二十二頁,共六十八頁,2022年,8月28日一.靜態(tài)(直流或緩慢變化輻射)(1)基本電路23第二十三頁,共六十八頁,2022年,8月28日負(fù)載線的確定:I=0,(N點);

V=0,(T點)負(fù)載線的斜率:-1/Rb。當(dāng)輸入光通量由Φ0作±ΔΦ緩慢改變時,在負(fù)載電阻上會產(chǎn)生±ΔV電壓輸出和±ΔIQ的電流信號輸出。(2)確定靜態(tài)工作點負(fù)載線和靜態(tài)工作時所對應(yīng)的伏安特性曲線的交點Q即為輸入電路的靜態(tài)工作點。24第二十四頁,共六十八頁,2022年,8月28日電路參數(shù)Rb對輸出信號的影響由圖可知:在一定偏壓下,隨Rb增大,輸出信號電壓范圍變大,但過拐點M后,信號會產(chǎn)生畸變。

M

(3)參數(shù)分析(Rb和Vb

)Rb影響M25第二十五頁,共六十八頁,2022年,8月28日Rb值一定時,未過拐點M之前,Vb增大使輸出信號電壓線性改善。Vb過大使功耗加大,引起PD反向擊穿。Vb影響電路參數(shù)Vb對輸出信號的影響M26第二十六頁,共六十八頁,2022年,8月28日

結(jié)論:在利用圖解法確定Rb和Vb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)載線稍高于拐點M,并保證Vb不大于最高工作電壓Vmax。M27第二十七頁,共六十八頁,2022年,8月28日例1 用2DU測緩變輻射通量(靜態(tài))。已知2DU的電流靈敏度,在測光范圍中最大輻射通量100μW,伏安特性曲線的拐點電壓VM=10V,若電源電壓Vb=15V。要求負(fù)載線建立在線性區(qū)內(nèi)。求:(1)保證輸出電壓最大時的Rbmax=? (2)輻射通量緩慢變化10μW時,輸出電壓的變化量.

思考題28第二十八頁,共六十八頁,2022年,8月28日解:依題畫出如下簡圖

(1).為保證2DU工作于線性區(qū)且Rb最大,過拐點作負(fù)載線,則:(2).輸出電壓:29第二十九頁,共六十八頁,2022年,8月28日二、動態(tài)工作狀態(tài)設(shè)計 (動態(tài)工作點+頻率響應(yīng))1.輸入電路動態(tài)工作點的計算原則:先直流,再交流30第三十頁,共六十八頁,2022年,8月28日

反偏壓PD的交變光探測基本電路(1)根據(jù)直流通路確定靜態(tài)工作點

反偏壓PD的交變光探測電路直流通路回路方程V31第三十一頁,共六十八頁,2022年,8月28日

斜率為-1/Rb的直流負(fù)載線和照度為E0的伏安特性曲線的交點確定靜態(tài)工作點QQ32第三十二頁,共六十八頁,2022年,8月28日(2)根據(jù)交流通路確定動態(tài)負(fù)載線和工作區(qū)域V

反偏壓PD的交變光探測基本電路

反偏壓PD的交變光探測電路交流通路在信號通頻帶范圍內(nèi),耦合電容C可以認(rèn)為是短路。33第三十三頁,共六十八頁,2022年,8月28日交流負(fù)載線與光照度E=E0對應(yīng)的伏安特性相交于Q點。交流負(fù)載線斜率由RL//Rb決定,同時為了充分利用器件的線性區(qū)間(使輸出信號最大),對應(yīng)的交流負(fù)載線應(yīng)通過特性曲線的轉(zhuǎn)折點M。設(shè)光照度變化:

則光照度變化范圍:

等效交流負(fù)載電阻:QM(VM)VQVb/RbIIQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im34第三十四頁,共六十八頁,2022年,8月28日(3)計算信號線性輸出最大時,負(fù)載RL上的交流輸出電壓峰值Vm、電流峰值ILm和負(fù)載功率PLQM(VM)VQVb/RbIIQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im(有效值)(峰值)(峰值)35第三十五頁,共六十八頁,2022年,8月28日將PL對GL求偏微分,得最大功率輸出條件為:

(4)計算負(fù)載最大功率輸出時負(fù)載RL上的輸出電壓VLmax、電流ILmax和負(fù)載功率PLmax電流由負(fù)載和偏置電阻均分36第三十六頁,共六十八頁,2022年,8月28日大三角中(5)計算最大功率輸出時直流偏置電阻Rb0和偏置電壓Vb或

當(dāng)已知電源電壓Vb時,可計算出偏置電阻Rb。QM(VM)VQVb/RbIIQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im小三角中37第三十七頁,共六十八頁,2022年,8月28日2.探測電路的頻率特性計算

高頻短路列出電路的回路方程:基本電路微變等效電路SE38第三十八頁,共六十八頁,2022年,8月28日分析:不同工作狀態(tài)下的VL表示1)給定輸入光照度在負(fù)載上取得最大功率輸出時(RL=Rb,g<<Gb

)39第三十九頁,共六十八頁,2022年,8月28日2)電壓放大時,希望負(fù)載上取得最大電壓輸出(RL>>Rb,g<<Gb

)40第四十頁,共六十八頁,2022年,8月28日3)電流放大時,希望負(fù)載上取得最大電流輸出(RL<<Rb,g<<Gb

)41第四十一頁,共六十八頁,2022年,8月28日比較為得到足夠的信號功率和電壓,RL和Rb要大,從而降低高頻截止頻率,使通頻帶寬度降低。采用低輸入阻抗高增益的電流放大器電流放大RL<<Rb電壓放大RL>>Rb功率放大RL=Rb42第四十二頁,共六十八頁,2022年,8月28日習(xí)題1.用2CU接收激光信號,2CU的S=0.5μA/μW,Φ=25μW時,伏安特性曲線拐點電壓VM=10V,結(jié)電容C1=3pF,電源電壓Vb=60V,引線分布電容C0=7pF,設(shè)激光的輻射通量Φ=(20+5sinωt)μW,求管子在線性區(qū),獲得最大功率時的偏置電阻Rb和負(fù)載電阻RL,VLmax,ILmax和上限截止頻率。43第四十三頁,共六十八頁,2022年,8月28日2.PMT陽極特性為:時,IA=200μA,拐點電壓Vm=60V,陽極電壓VA=90V,要求在線性區(qū)內(nèi)的負(fù)載電阻獲得最大的輸出電壓,求:

a.直流負(fù)載Rb=?

b.如果入射的最大光通量由4×10-5lm緩變?yōu)?.5×10-5lm時(靜態(tài)工作點的改變),求輸出電壓的變化量。44第四十四頁,共六十八頁,2022年,8月28日4.1.4光生電勢型探測器的偏置和設(shè)計(光電池)45第四十五頁,共六十八頁,2022年,8月28日一.光生電勢型探測電路的靜態(tài)計算

V流過探測器的總電流:I=IP-Id(未考慮表面漏電流)1.基本電路2.回路方程其中46第四十六頁,共六十八頁,2022年,8月28日

由伏安曲線,對于給定的Φ0,只要選定RL,工作點Q就能由負(fù)載線與光電池相應(yīng)伏安曲線的交點決定。該點的IQ和VQ即為RL上的輸出值。相對Φ0的光通量增量±ΔΦ將形成對應(yīng)的電流變化±ΔI和±ΔV。

3.確定直流負(fù)載線47第四十七頁,共六十八頁,2022年,8月28日

由圖知:對確定的電阻RL(以RLs為例)

,當(dāng)輸入光通量較小時,負(fù)載上的輸出電壓和電流隨光通量成正比例增加;當(dāng)入射光通量較大時,輸出電壓和電流呈飽和狀態(tài)(非線性)。電阻越大越明顯。(1)Φ的影響4.分析輸入光通量Φ和負(fù)載電阻RL

對輸出的影響48第四十八頁,共六十八頁,2022年,8月28日

由圖知:對應(yīng)相同的ΔΦ=Φ1―Φ2,當(dāng)RL<RLS(臨界電阻)時,IQ、VQ與ΔΦ呈線性;當(dāng)RL>RLS時,呈非線性(電壓飽和),在檢測電路中往往希望線性。(2)RL的影響49第四十九頁,共六十八頁,2022年,8月28日VPIV/I/PRLo?ⅡⅣⅢRLs(c)

在同一入射光通量下,負(fù)載電阻對光電池輸出電壓、電流、功率的影響曲線如圖所示50第五十頁,共六十八頁,2022年,8月28日(c)(a)短路或線性電流放大(RL=0)電流變換狀態(tài),負(fù)載輸出光電流最大;要求后續(xù)放大器輸入阻抗盡可能?。慌c入射光通量有良好的線性關(guān)系;短路狀態(tài)下器件噪聲電流較低,信噪比改善,最適用于弱光信號的檢測。三種工作狀態(tài):51第五十一頁,共六十八頁,2022年,8月28日當(dāng)有則:(b)空載電壓輸出(I=0)

利用上式,可在已知Φ、Voc時,計算另一Φˊ下的Vocˊ相減52第五十二頁,共六十八頁,2022年,8月28日在第三區(qū)域可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。因此需確定負(fù)載電阻的臨界值。(C)線性電壓輸出53第五十三頁,共六十八頁,2022年,8月28日圖解法計算臨界電阻RLS

由給定的Φmax,取

與伏安特性曲線交于S點,得到臨界負(fù)載RLS,即臨界電阻RLS上的Vs為Φmax對應(yīng)的輸出電壓變化為:IP54第五十四頁,共六十八頁,2022年,8月28日綜上所述,線性區(qū)工作分兩種情況:

電流放大:要求RL與后級放大器的輸入阻抗盡量小,使負(fù)載線靠近電流軸以得到最大的電流輸出。輸出電流變?yōu)镮SC和Φ有良好的線性關(guān)系

電壓放大:在保持良好線性情況下,有最大的電壓輸出,負(fù)載線可接近臨界負(fù)載線,則輸出電壓為:

55第五十五頁,共六十八頁,2022年,8月28日例:光電池在光照度為100lx時,開路電壓為VOC=180mV,ISC=80μA。求在由50lx增加到200lx時,為保證線性輸出所需最佳負(fù)載電阻值和輸出電壓變化量。

思考題56第五十六頁,共六十八頁,2022年,8月28日例:光電池在光照度為100lx時,開路電壓為VOC=180mV,ISC=80μA。求在由50lx增加到200lx時,為保證線性輸出所需最佳負(fù)載電阻值和輸出電壓變化量。

解:(1)計算200lx下的開路電壓

(2)計算線性區(qū)域內(nèi)光電池的電流響應(yīng)度

(3)計算無偏壓時最佳電阻和輸出電壓變化量

57第五十七頁,共六十八頁,2022年,8月28日補充有反偏壓的光電池電路回路方程M58第五十八頁,共六十八頁,2022年,8月28日反偏壓輸入電路中通過轉(zhuǎn)折點M的RL可以取得比無反偏時的RL更大,ΔV的范圍也更大,可見,加反偏擴(kuò)大了線性輸出電壓范圍。59第五十九頁,共六十八頁,2022年,8月28日

例:光電池在光照度為100lx時,開路電壓為VOC=180mV,ISC=80μA。求在由50lx增加到200lx時,為保證線性輸出所需最佳負(fù)載電阻值和輸出電壓變化量。若加有反偏壓Vb=0.3V,允許選用的負(fù)載電阻RL=?輸出電壓ΔV=?

60第六十頁,共六十八頁,2022年,8月28日例:光電池在光照度為100lx

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