第四章 光电信号检测电路

检测电路系统结构光电器件输入电路前置放大及耦合电路光电器件：光电变换输入电路：为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换，同时完成和前置放大及耦合电路的电路匹配。前置放大及耦合电路：输入信号的精确检测输出例如光电器件输入电路前置放大第四章光电信号检测电路主要内容：•4.1光电检测电路的设计要求•4.2光电信号输入电路的静态计算•4.3光电信号检测电路的动态计算•4.4光电信号检测电路的噪声•4.5前置放大器4.1光电检测电路的设计要求设计原则：保证光电器件和后续电路最佳的工作状态。使整个检测电路满足下列要求：1.光电转换能力强：光电灵敏度、线性范围。2.动态响应能力快：频率响应3.信号检测能力强：信噪比(SNR)、等效噪声功率(NEP)。4.稳定性、可靠性好：工作要求（精度重复性）4.2光电信号输入电路的静态计算静态计算法是对缓慢变化的光信号采用直流电路检测时使用的设计方法，由于光电检测器件的非线性伏安特性，所采用的方法包括非线性电路的图解法和分段线性化的解析法。按照伏安特性的基本性质可分为三种类型：恒流源型、光伏型和可变电阻。2/20cmmW161284051015mAi/M2/15cmmW2/10cmmW2/5cmmWVU/120080040004080120uAi/lx10000lx6000lx4000lx2000lx5005432102004006008001000mAi/lm100lm75lm50lm250VU/光电倍增管光电二极管光电三级管4.2.1恒流源型器件光电信号输入电路在工作电压较小时，曲线呈弯曲，存在一个转折点M，随电压增大，输出电流变化不大，趋于恒流。这种输出电流随着器件端电压增大而变化不大的性质称为恒流源特性。VU/光电流由输入的光功率来控制由图可得，同样的端电压下，输入的光通量越大，则电路中的电流越大，从负载RL输出的电压也就越大，而光电器件两端的电压则变小120080040004080120uAi/lx10000lx6000lx4000lx2000lx500VU/光电二极管VU/1、图解计算法：利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。LbIRUIU负载线方程：UUbRLI基本电路制约关系负载线与对应输入光通量为Φ0时的器件的伏安特性曲线交点Q，即为输入电路的静态工作点，当Φ0下降ΔΦ时，在负载电阻RL上产生的电压信号输出和的电流信号输出。IU1、图解计算法：利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。QobUQUIQIIUULbRU000LR1arctanoioULbIRUIU负载线方程：UUbRLI基本电路可借助图解法合理地选择电路参数，如最大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率。图中给出了Ub不变时，RL的大小对输出信号的影响：输入光通量变化时，负载电阻的减小，光电器件端电压增大，输出电压减小同时负载电阻的减小会受到最大工作电流和功耗的限制。而过大的RL又使输出负载线进入非线性区，使输出信号波形畸变。obUQ1LR000oioUM2LR3LR321LLLRRR图解法的应用：电路分析光电开关1、负载电阻的影响分析：负载线的斜率1/RL功耗限制可见负载电阻增加可增加输出电压，但是必须适当图解法的应用：2、偏置电压的影响分析：o0003bU2bU1bUoioU功耗限制图中给出了RL不变时，Ub的大小对输出信号的影响：当偏置电压增大时，输出信号电压幅度也随之增大，线性度得到改善，但电路的功耗随之加大，过大的偏置电压会引起光电二极管的反向击穿。可见偏置电压增加可提高线性度，但是也应该适当1.由ΔΦ和ΔI选择RL和Ub稍高于转换点M，以便有最大不失真电压输出。2.利用输出的线性关系，确定RL和Ub3.同时保证Ub不大于器件最大工作电压Umax图解法的应用M2、解析计算法：对光电器件的非线性伏安特性进行分段折线化，称为折线化伏安特性。折线化的画法一QMO0iUQI0arctanGGarctan0UpIdIiMUO0UGarctan0arctanG折线化的画法二折线化的画法QM0O0iUQI0arctanGGarctan0UpIdI折线化伏安特性可用下列参数确定：①转折电压U0—对应于曲线转折点M处的电压值。②初始电导G0—非线性区近似直线的初始斜率。③结间漏电导G—线性区各平行直线的平均斜率。④光电灵敏度S—单位输入光功率所引起的光电流值。pIS光电灵敏度的表达式：φ为输入光功率Ip为对应的光电流折线化的分析原则：利用折线化的伏安特性，可将线性区内任意Q点处的电流值I表示为两个电流分量的和：Q0PO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdIpdQIIUfI,Id--为与二极管端电压U成正比，由结间漏电导形成的无光照电流（暗电流）。Ip—为与端电压无关，仅取决于输入光功率Φ的光电流。则：那么理想的光电二极管等效电路可表示为：SGUIIIpdIpIdIGRg1M1、确定线性工作区域(确定U0,G0,G,S的关系)000maxGUGUSmax00SUGGmax00SGGU折线化伏安特性的分析：在输入光通量变化范围Φmin~Φmax为已知的条件下，用解析法计算输入电路的工作状态：000bLUUGGUmax00SUGG1LLRGmax00LbLSGGUGGG0max000max00LbbUSGGGGUUSUGG2、计算负载电阻和偏置电压：00maxLbGUUGUSmaxmaxminLbGUUGUSminmaxLbLGUSUGGmax0LbLGUSUGGmaxminLLUSSGGGGH点M点3、计算输出电压幅度：Φ=0maxminmaxmin1LLIIIUGSGGmaxminISS2LLSPUIGGG3、计算输出电流幅度：通常，上式可简化为：GGL4、计算输出电功率：4.2.2光伏型器件光电信号输入电路mAi/VU/00.10.20.30.40.5-0.2-0.4-0.6-0.8光伏型器件伏安曲线等效电路光伏型器件伏安曲线如图示，位于第四象限，器件的端电压U和电流I的方向相反，具有赋能元件的性质。这类器件主要是光电池和光电池工作状态下的光电二极管。pUUsIeIIT)1(光电池输出电流有下列形式：将光电池的伏安特性转到第一象限，即规定电流的正方向，则伏安特性可表示为：)1(TUUspeIII或sspTIIIIUUlnIpIdI1、光伏型器件输入电路的形式：无偏置型、反向偏置型和太阳能电池充电电路2、无偏置输入电路的静态计算ULRpIdII电路方程：ULRLRIU1TUUspeIII图解法分析：负载线与给定光通量Φ0对应的伏安曲线的交点即为工作点Q。Q点对应的U和I即为RL上的输出电流和电压。光通量变化时形成相应的输出电流变化和输出电压变化。Ui0QIIULGarctanQUOQ伏安特性非线性光通量较小时近似线性关系光通量较大时逐渐饱和状态电阻越大越明显负载电阻的选取影响输出信号光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析：RL↑UMRM0LR短路电流或线性电流放大(区域I)空载电压输出(区域IV)线性电压输出(区域II)1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMR1、负载电阻很小,接近于0,电路工作状态接近于短路工作状态,可实现电流变换。后续电流放大级可从光电池中吸取最大的输出电流。此时输出电流为：SIIeIIIscpRURIspLTL01SI和短路电流或线性电流放大区域I线性关系良好1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMR2、光电池的开路电压通常为0.45-0.6V，当入射光强做跳跃式变化时，不要求电压随光通量线性变化（IV区），适合于开关电路或继电器工作状态。开路电压是：sTspTsspTocISUIIUIIIUUUlnlnln特点：在这种状态下，对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，有利于弱电信号的检测空载电压输出区域IVmaxOCOC0.77.0SΦUIURPM3、此时负载电阻处于中间值，小于临界负载RM，输出电压与输入光通量近似线性。这通常是我们需要的工作状态！在线性度要求不高时,可用图解法通过OA负载线,确定RM线性电压输出区域II1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMRocU7.0II特点：连接电压放大器光敏电阻的应用----照相机电子快门硫化镉光敏电阻，与人眼光谱响应接近输入电路1、电压比较器正端电压固定2、按下开关，负端电位被拉到地，电压比较器输出高电平，三极管导通，快门打开3、同时，电容开始充电，A点的电位逐渐升高，充电的电流大小由光敏电阻的阻值决定。若外界光线强烈，则阻值小，电流大，充电过程迅速4、电容充电完毕，电路断开，负端电压升高超过正端，三极管截止，快门关闭A4.2.3可变电阻型器件光电信号输入电路LIULRbULRbULbRUQIU光敏电阻电路123UiOGarctan图解法伏安曲线其阻值随输入光通量改变的伏安特性如右下图。光敏电阻的一般输入电路利用图解法分析光敏电阻输入电路如图示。在建立负载线之后即可确定对应于输入光通量Φ1~Φ3变化的输出信号。LLbLRIUU？利用解析法分析光敏电阻输入电路按照线性电路规律，依图有：；RRUILbLbLLLURRRULIULRbULR当光通量变化时，光敏电阻变化ΔR，引起负载上输出电流ΔI和输出电压ΔU的变化：RRRUILbL2SGGGRpdp,1又SRGGSRdp22所以22LbRRSURI即有：LLbLLLRRRSURIRU22和练习思考LIULRbU10K已知负载10k，偏置电压100V,光电导灵敏度为S=0.5×10-6S/lm，暗电导为0，假设静态工作点光通量为100lm时，光敏电阻阻值为20k，试求光通量在50lm到150lm的范围内变化时电路负载上输出电流和输出电压的变化范围。光敏电阻的两种工作状态1）恒流偏置2）恒压偏置LbLRUI当RLR时，LIULRbULR2LbLRRSUI22LbRRSURI负载电流与光敏电阻阻值无关，近似保持常数。LbLRSUU选取RLR时，加在光敏电阻上的电压近似为电源电压Ub，与R无关。输出信号电压为：LLbLLLRRRSURIRU22更换光敏电阻则影响不大4.3光电信号检测电路的动态计算光电检测电路接收交变光信号时，与缓变光信号相比，交变信号有更丰富的频率分量，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。4.3.1光电信号输入电路的动态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。另一方面要考虑后续电路的等效输入阻抗与输入电路直流负载电阻的并联。下面分别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。MoUimEE00EmEE0QIQUmQIImQIImQUUmQUUNQbGarctanbU1）光电二极管交流检测电路bUbRLR