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1恒流源型光电检测电路的静态计算光伏型光电检测电路的静态计算第七章光电信号检测电路设计§7.2交变光信号检测电路设计光电信号输入电路动态工作状态的计算光电检测电路的频率特性§7.1缓变光信号检测电路设计§7.3光电信号检测电路的噪声估算检测电路的噪声等效处理典型光电检测电路的噪声估算2放大器噪声前置放大器的低噪声设计检测器件和放大电路的连接第七章光电信号检测电路设计§7.4光电信号的放大电路§7.5微弱光信号检测技术锁相放大器3(1)光电转换能力强;(2)动态响应速度快;(3)信号检测能力强;(4)稳定性\可靠性好.光电信号检测电路设计要求4§7.1缓变光信号检测电路设计一恒流源型光电检测电路的静态计算它是一组以输入光照度和光通量为参量的曲线簇。在工作电压比较小的范围内曲线呈弯曲的趋势，并且有一转折点M。随着工作电压的升高，曲线逐渐平直这种输出电流随器件端电压增大而变化不大的性质称为恒流源特性。5§7.1缓变光信号检测电路设计(一)图解计算法U(I)=Ub-IRL(7-1)特别适合于大信号状态下的电路分析.6§7.1缓变光信号检测电路设计RL减小，斜率增大，有可能超过功耗许可范围；RL增大，直线可能越过转折点M，进入非线性区。定性地看输出信号波形是否发生畸变.最大工作电压和耗散功率7§7.1缓变光信号检测电路设计(二)解析计算法8§7.1缓变光信号检测电路设计.折线化伏安可用下列参数确定特性:(1)转折电压U0(2)初始电导G0(3)结间漏电导G(4)光电灵敏度SS=Ip/PIp为光电流;P为光功率,P可以是光通量Φ或光照度EΦ=AE(7-2);A为器件光敏面受光面积(二)解析计算法9§7.1缓变光信号检测电路设计I=f(U,Φ)=Id+Ip=GU+SΦ(7-3)光通量做微小变化时:dI=GdU+SdΦ(7-4)1确定线性工作区由Φmax----确定转折点M.在线段MN上有:G0U0=GU0+SΦmax(7-5)由此可得:Uo=SΦmax/(G0-G)或G0=G+SΦmax/U0(7-6)10§7.1缓变光信号检测电路设计2计算负载电阻和偏置电压由图(7-5(a))中的图示关系可得:(Ub－U0)GL=G0U0当Ub已知时,可得(由Uo=SΦmax/(G0-G))：GL=G0U0/(Ub-U0)=SΦmax/(Ub(1－G/G0)－SΦmax/G0)RL=1/GL(7-7)可计算偏置电源电压Ub为Ub=SΦmax(GL+G0)/(GL(G0-G))(7-8)11§7.1缓变光信号检测电路设计12§7.1缓变光信号检测电路设计3计算输出电压幅度由图(7-5(b))中M和H点的电流值计算得到GL(Ub－Umax)=GUmax+SΦmin(H点)GL(Ub－U0)=GU0+SΦmax(M点)解上两式得:Umax=(GLUb-SΦmin)/(G+GL)U0=(GLUb-SΦmax)/(G+GL)△U=S(Φmax－Φmin)/(G+GL)(7-9)13§7.1缓变光信号检测电路设计4计算输出电流幅度5计算输出电功率由图7-5（b)可得：ΔI=Imax–Imin=ΔUGL代入式（7-9）得：ΔI=S(Φmax－Φmin)/(1+G/GL)≈S(Φmax－Φmin)当GLG时P=ΔUΔI=GLΔU2=GL(SΔΦ/(G+GL))^214二,光伏型光电检测电路设计的静态计算15(一),光伏型器件输入电路的型式太阳能电池电路时Ub为蓄电池16(二),无偏置输入电路的静态计算17§7.1缓变光信号检测电路设计RM对应于光通量3时输出功率最大18§7.1缓变光信号检测电路设计19§7.1缓变光信号检测电路设计也可以取0.6Uoc对应的点与原点连线来确定线性区间20三,可变电阻型光电检测电路的静态计算(一),简单输入电路21(二),电桥输入电路22§7.2交变光信号检测电路设计在许多场合下，光电检测电路接收到的是随时间变化的光信号，如瞬变光信号或各种类型的调制光信号，这类信号称为交变光信号，其特点是信号中包含着丰富的频率分量，当信号微弱时．还需要多级放大等。与缓变光信号检测电路的设计不同，在分析和设计交变光信号检测电路时，需要解决下面的动态计算问题：（1）确定检测电路的动态工作状态．使在交变光信号作用下负载上能获得最小非线性失真的电信号输出。（2）使检测电路具有足够宽的频率响应．以能对复杂的瞬变光信号或周期光信号进行无频率失真的变换和传输。在本节里．我们将分别讨论这两方面的问题。23§7.2交变光信号检测电路设计一、光电信号输入电路动态工作状态的计算为提供光电检测器件正常的工作条件，首先要在交变光信号输入电路中建立直流工作点。另一方面输入电路和后续电路通常是依靠阻容连接等多种方式相耦合的。后续电路的等效输入阻抗将和输入电路的直流负载电阻并联作为检测器的交流负载。这是不同于上一节中静态计算的主要区别之一。现以光电二极管和光电池为例介绍其交流检测电路的动态计算方法。24§7.2交变光信号检测电路设计7--15反向偏置光电二极管交流检测电路及图解计算（a）检测电路（b）图解法25§7.2交变光信号检测电路设计(一)光电二极管交流检测电路图7-15(a)给出了反自偏置光电二极管交流检测电路的基本形式。首先确定在交变光信号作用下电路的最佳工作状态。假定输入光照度为正弦变化即e=E0+Emsinωt，光照度的变化范围为E0±Em。若在信号通频带范围内，耦合电容Cc可认为是短路．则等效交流负载电阻是Rb和RL并联。对应的交流负载线MN应该通过特性曲线的转折点见图7-15(b)，以便能充分利用器件的线性区间，其斜率由Rb和RL的并联电阻决定。交流负载线与光照度E=E0对应的伏安特性相交于Q点。该点对应交变输入光照度的直流分量．是输入直流偏置电路的静态工作点。26通过Q点作直流负载线可以图解得到偏置电阻Rb和电源Ub的值。下面我们来计算负载RL上的输出电压和输出功率值。负载电阻上的输出电压峰值Um。可利用图(b)中阴影线三角形MHQ的数值关系计算。若交流负载线的斜率是GL+Gb，设交流负载总电流峰值为Im，则有27另一方面，在图中的线段上有电流关系代入上式有（7-34）负载电阻上的输出功率为式中是负载电阻RL的电流峰值，将式（7-34）代入上式有，28由PL对RL求偏微分计算最大功率输出下的负载电阻RL0=1/GL0,可得GL0=Gb+g把上式代人式(7-34)和(7-35)可得阻抗匹配条件下负载的输出电压峰值Um0、最大输出功率有效值PLm和输出电流峰值Im0为（7-36）（7-37）（7-38）（7-35）29最大功率输出条件的直流偏置电阻Rb0和电源电压Ub可用解析法计算，静态工作点Q的电流值的伏安特性有由负载线有求解以上二式有30另一方面，在电压轴上工作点Q处的电压为比较前二式可计算出或（7-39）31(二)光电池交流检测电路图7-16(a)是光电池交流检测电路。图(b)是处于线性区域的工作特性图解，图中直流负载是通过原点斜率为Gb的直线。当输入光照度为e=E0+Emsinωt时光电池特性曲线中对应于E=E0的曲线与直流负载线相交于Q点，Q是静态工作点。交流负载线通过Q点．斜率为Gb+GL，该负载线与最大输入光照度e=E0+Em对应的光电池曲线相交于M点。M点的电压Um应满足32§7.2交变光信号检测电路设计33UM=UQ+Um≤0.7Uoc。(7-40)式中Um是与正弦输入的光照度相对应的辅出电压峰值。对于GL=Gb=GL0的最大功率输出条件下的输出电压、功率和电流有类似式(7-36)、(7-37)和(7-38)的形式。偏置电阻的数值可计算为（7-41)34二、光电检测电路的频率特性光电器件自身的惯性和检测电路的耦合电容、分布电容等非电阻性参数的存在使光电检测电路需要一个过渡过程才能对快速变化的输入光信号建立稳定的响应。通常采用时域分析法和频域法来表征这种动态响应能力，在检测技术中常采用频域分析法。需要指出的是，在光电器件以各种耦合方式和电路器件组成检测电路时，其综合动态特性不仅与光电器件本身有关，而且主要取决于电路的形式和阻容参数，需要进行合理的设计才能充分发挥器件的固有性质，达到预期的动态要求。工程上描述检测通道频率响应的参数是通道的通频带△F，它是检测电路上限和下限截止频率所包括的频率范围。△F愈大，信号通过能力愈强。本节将以器件等效电路为基础，介绍检测电路的频率特性，并给出根据被测信号的技术要求设计检测电路的实例。35(一)光电检测电路的高频特性36式中叫是输入光照度；iL是负载电流；ib是偏置电流，Cj是光电二极管结电容；ij是结电容电流；ig是光电二极管反向漏电流。式中各光电量均是复数值。求解上述方程可得(7-42)37将式(7-42)改写成下述形式(7-43)式中(7-43)（7-44）称为检测电路的时间常数。由式(7--43)可见检测电路的频率特性不仅与光电二极管参数Cj和g有关，而且取决于放大电路的参数GL和Gb。38对应检测电路的不同工作状态，频率特性式(7—43)可有不同的简化形式。(1)给定输入光照度，希望在负载上获得最大功率输出时。要求满足RL=RbgGb此时时间常数上限频率39(2)电压放大时希望在负载上获得最大电压输出，要求满足此时40时间常数和上限频率分别为(7-47)(3)电流放大时希望在负载上获取最大电流，要求满足RLRb且g很小此时(7-48)时间常数和上限频率分别为(7-49)41总结1、为了从光电二极管中得到足够的信号功率和电压，RL和Rb不能很小,但阻值过大又会使高频截止频率下降，降低了通频带宽度，因此负载的选择要根据增益和带宽的要求综合考虑。2、只有在电流放大的情况下才允许R取的很小,并通过后级放大得到足够的增益.因此，通常采用低输人阻抗高增益的电流放大器使检测器件工作在电流放大状态,以提高频率响应.而放大器的高增益可在不改变信号通频带的情况下提高信号的输出电压.42(二)光电检测电路的综合频率特性在前面的讨论中为了强调说明负载电阻对频率特性的影响，忽略了电路中隔直流电容和分布电容等的影响，而这些参数是确定电路通频带的重要因素。下面我们来介绍检测电路的综合频率特性。图7－18(a)是光电二极管交流检测电路，图(b)是它的等效电路，图中C0是电路的布线电容，Ci是放大器的输入电容，CC是级间耦合电容。输入电路的频率特性可写成(7-50)式中43式（7--52）的图解表示在图7—18（C）中，图中的虚线表示实际的对数特性，折线是规整化的特性，图7-18光电二极管交流检测电路及其等效电路和对数频率特性a.检测电路b等效电路c)对数频率特性4445对应的对数频率特性曲线-20dB／(10倍频程)的斜率下降，在处曲线数值比中频段下降3dB，称作高频或上限截止频率。频率特性的高频衰减主要是因为电路中各电容给出抗，和随的增加而减少，电容分流作用的加大使输出信号变小的缘故。由图中可以看到综合对数频率特性可分为三个频段：（1）高频段（），在此频段内，频率特性可简化为(式7-50分母第一项为jT1)（7-53）46(2)中频段（），此频段的中心频率为，频率满足和,相应的频率特性为.(7-54)这表明在中频段范围内输入电路可看作是理想的比例环节。通常将之间的频率区间称作电路的通频带。47(3)低频段()此频段内的频率特性可简化为(式7-50分母后一项近似为1)相应的对数频率特性曲线以20dB／(10倍频程)的斜率上升,在处曲线转平，曲线数值比中频段下降3dB，称作低频或下限截止频率，这是检测电路可能检测的低频信号的极限。频率特性低频衰减的物理原因是电路中串联耦合电容Cc的容抗l／jCc随的减少而增大，信号在电容上压降的提高使输出信号变小。48（三）光电检测电路频率特性的设计在保证所需检测灵敏度的前提下获得最好的线性不失真和频率不失真是光电检测电路设计的两个基本要求，前者属于静态设计的基本内容，后者是检测电路频率特性设计需要解决的问题。多数情况下快速变化的复杂信号可以看作是若干不同谐