第六章-光电检测电路的设计

第六章光电检测电路的设计对于大多数的光电装置，光电器件需要通过检测电路才能实现光电信号的变换作用。通常，光电检测电路是由光电检测器件、输入电路和前置放大器组成。光电检测器件输入电路前置放大器输入电路是连接光电器件和电信号放大器的中间环节，它的基本作用是为光电器件提供正常的电路工作条件，进行电参量的变换（例如将电流和电阻转换为电压），同时完成和前置放大器的电路匹配。输入电路的设计应根据电信号的性质、大小，光学的和器件的噪声电平等初始条件以及输出电平和通频带等技术要求来确定电路的连接形式和工作参数，保证光电器件和后级电路最佳的工作状态，并最终使整个检测电路满足下列技术要求：1）灵敏的光电转换能力：使给定的输入光信号在允许的非线性失真条件下有最佳的信号传输系数，得到最大的功率、电压或电流输出。2）快速的动态响应能力：满足信号通道所要求的频率选择性或对瞬变信号的快速响应。3）最佳的信号检测能力：具有为可靠检测所必需的信噪比或最小可检测信号功率。4）长期工作的稳定性和可靠性。根据这些要求，检测电路的设计通常包括的步骤为：电路静态计算、电路动态计算和噪声估算。一、光电检测电路的静态设计检测电路的静态设计包括光电器件的选择和输入电路的静态计算。本节内容包括：光电检测器件的选择要点；恒流源型光电器件输入电路的静态计算；光伏型光电器件输入电路的静态计算；可变电阻型光电器件输入电路的静态计算；检测器件和放大电路的连接。1、光电检测器件的选择要点在以信息检测和信号传送为目的的光电系统中，光电检测器件的作用是将载有被测信息的光辐射能量变换为电能，并在实现这种变换的过程中完成信息的传递。检测器件是沟通光学和电子系统的接口环节，它既是光路元件又是电路元件，有着光学和电子学的双重属性。作为光路元件，它是光信号接收器，是前级光学系统的输出端口；作为电路元件，它是信号发生器，是后续电子系统的输入端口。正是由于利用了光电检测器件的双重属性，才建立了光路和电路的联系，使彼此间得以连通。因此，光电检测器件类型的选择和工作状态的确定对光电系统的工作品质至关重要，是系统设计的一个重要问题。为了提高传输效率，无畸变地变换光电信号，光电检测器件不仅要和被测辐射源及光学系统，而且要和后续的电子系统在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。光电检测器件和光路的匹配是在对辐射源和光路进行光谱分析和能量计算的基础上，通过合理选择光路和器件的光学参数来实现的，这要涉及到工程光学的内容。而光电检测器件和电路的匹配则应根据选定的光电检测器件的参数，通过正确选择和设计电路来完成。光电检测器件的选择要点：1）检测器件和辐射源及光学系统在光谱特性上匹配光电系统中光载波信号的能量来源是辐射源或光源。它们可分作两类，即自然光源和人造光源。辐射能量由光源经测试目标、传输介质、接收光学系统被光电检测器接收。为了提高有用光信号的能量利用，要求检测器的光谱灵敏度分布和辐射源的光谱辐射度分布以及各传输环节的光谱透过率分布相覆盖。实际上，在含有许多光谱分量的复合光通量Φ(λ)作用下、探测器的复合输出I(λ)是由单色辐射通量作用下的输出值在整个光谱分布范围内的积分值确定的，即——探测器对波长λ的电流灵敏度0)()()(dSII)(IS在辐射源和探测器之间存在选择性衰减环节（如介质传输、光学系统和滤光器）时探测器的有效输出为式中，Φo(λ)是由辐射源发出的复合光通量，、分别是传输介质、光学系统和滤光器的透过率光谱分布。因此，只有这些衰减环节的光谱分布尽可能地相互覆盖才可能最充分地利用入射通量。下页中列出了典型光源和探测器光谱的对应曲线0)()()()()()(dSIOfOaI)(a)(O)(f典型光源和探测器光谱的对应曲线a)相对光谱辐射亮度曲线1-太阳光2-日光灯3-GaP型LED4-GaAsP型LED5-双波段LED6-钨丝灯(2854K)7-GaAs型LEDb)相对探测灵敏度曲线1-检测型Si光电二极管2-照相用Si光电二极管3-平面型Si光电池4-光电三极管5-台面型光电二极管6-视见函数7-CdS光敏电阻2）探测器的光电转换特性和入射辐射能量的大小相匹配根据光电系统辐射源的发光强度、传输介质和目标的传输及调制损耗、接收光学系统接收孔径的限制及反射吸收等损失的影响，可以计算出入射到探测器光敏面上的实际辐射能量，通常它们是很微弱的，探测器的选择应充分利用这些有用的信号能量，为此要考虑：①使探测器有足够高的探测率，以确保获得一定裕度的信噪比。②探测器有合适的灵敏度S，以保证对应于入射辐射通量的微小变化，有足够幅度的电信号输出。③使入射通量的变化中心处于探测器光电特性的线性范围内，以确保获得良好的线性检测。*D典型光电检测器件的探测率比较曲线3）使检测器件和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到良好的时间响应和没有频率失真的输出波形。为作到这一点，首先要选择有良好的时间特性或频率特性的光电器件，此外也取决于电路动态参数的选择。4）使检测器件和输入电路在电特性上匹配以得到良好的电信号输出。这包括：足够的转换系数和线性范围、快速的动态响应、良好的信噪比。5）使检测器件具有长期工作的可靠性和对工作环境的适应能力。为使器件工作可靠，需要使器件在额定条件下使用。这些条件包括额定功耗、工作电压以及工作环境温度等。器件的装置空间、受光面积、电源设备、价格等在某些情况下甚至是选择器件的主要考虑因素，需要根据待设计系统的要求和条件优先选定。几种典型光电检测器件特性参数的定性比较2、恒流源型光电器件输入电路的静态计算光电检测电路的设计任务是根据入射光信号的性质和大小来选择输入电路形式，并估算电路工作状态和器件参数，在保证信号不失真的情况下获得最大的光电转换能力，同时要使之和后级放大电路相匹配以利于信号的进一步传输。缓慢变化的光信号通常采用直流检测电路。直流电路的计算重点在于确定电路的静态工作状态，由于光电检测器件伏安特性的非线性，一般采用非线性电路的图解法和分段线性化的解析法来计算。我们将根据器件伏安特性的性质分作：恒流源型、光伏型和可变电阻型三种基本类型，并且以光电二极管为线索介绍它们在各种工作状态下的电路计算方法。恒流源型光电检测器件的伏安特性是一组以输入光照度E或光通量Φ为参量的曲线组。在工作电压较小的范围内曲线呈弯曲的趋势，并且有一转折点M。工作电压加大后曲线逐渐平直。随输入光通量的改变，各曲线间逐渐近似平行，间距相等。这种随器件端电压增大输出电流变化不大的性质称恒流源特性。恒流源型光电检测器件的伏安特性a)光电倍增管b)光电二极管c)光电三极管图解计算法利用包含非线性元件的串联电路的图解法：图a给出了在反向偏置电压作用下光电二极管的基本输入电路。图中Ub是反向偏置电压，RL是负载电阻，与输入光通量Φ成正比的电压信号Uo就是从RL的两端输出的。Ub、RL和光电二极管V串联连接。bU具有恒流源特性的光电检测器件有光电管，光电倍增管和工作于反向偏置电压状态下的光电二极管以及光电三极管等。将图中所示伏安特性和晶体三极管集电极特性相比较，其形状类似，只是光电器件的光电流是由输入光功率控制而晶体三极管是由基极电流控制。这表明，可以采用与晶体管放大器相类似的方法对恒流型光电器件进行分析和计算。计算光电二极管输入电路的图解法a)基本电路b)图解法计算LR对于这种简单电路可列出回路方程或式中，U(I)是非线性函数。上式可利用图解法进行计算。如图b，在伏安特性上划出负载线Ub-IRL，它是斜率为-1/RL，通过U＝Ub点的直线，与纵轴交于Ub/RL点上。由于串联回路中流过各回路元件的电流相等，负载线和对应于输入光通量为Φo时的器件伏安特性曲线的交点Q即为输入电路的静态工作点。当输入光通量由Φo改变+ΔΦ（或-ΔΦ）时，在负载电阻RL上会产生-ΔU（或+ΔU）的电压信号输出和+ΔI（或-ΔI）的电流信号输出。LbIRIUU)(LbIRUIU)(上述图解法特别适用于大信号状态下的电路分析。例如在大信号检测情况下可以定性地看到输出信号的波形畸变。在用作光电开关的情况下可以借助图解法合理地选择电路参数使之能可靠的动作，同时保证不使器件超过其最大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率。a)负载电阻影响在图a中，当偏置电压Ub不变时，对于同样的输入光通量Φo±ΔΦ，负载电阻RL的减小会增大输出信号电流而使输出电压减小。但RL的减小会受到最大工作电流和功耗的限制。为了提高输出信号电压应增大RL，但过大的RL会使负载线越过特性曲线的转折点M进入非线性区，而在这个范围内光电灵敏度S=Δl/ΔΦ不再是常数，这会使输出信号的波形发生畸变。另一方面，在图b中，对应于相同的RL值，当偏置电压Ub增大时输出信号电压的幅度也随之增大，并且线性度得到改善。但电路的功耗随之加大，并且过大的偏置电压会引起光电二极管的反向击穿。利用图解法确定输入电路的负载电阻RL和反向偏压Ub值时，应根据输入光通量的变化范围和输出信号的幅度要求使负载线稍高于转折点M，以便得到不失真的最大电压输出，同时保证Umax不大于器件的最大工作电压b)偏置电压的影响解析计算法利用如图所示的折线化伏安特性。它是实际非线性伏安特性的分段折线化，近似画法视伏安特性形状而异。通常是在转折点M处将曲线分作两个区域。在图a的情况下是作直线与原曲线相切；在图b情况下是过转折点M和原点o连线，得到折线化特性的非线性部分，再用一组平行的直线分别和实际曲线的恒流部分逼近，得到折线的线性工作部分。折线化伏安特性可用下列参数确定：a）转折电压：对应于曲线转折点M处的电压值。b）初始电导：非线性区近似直线的初始斜率。c）结间漏电导G：线性区内各平行直线的平均斜率。d）光电灵敏度S：单位输入光功率所引起的光电流值。设输入光功率为P，对应的光电流为，则有S＝/P式中的光功率P可以是光通量Φ，也可以是光照度E。光通量和照度之间的关系为Φ＝AE式中，A——光敏面受光面积。0U0GpIpI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组合：即与二极管端电压U成正比，由结间漏电导形成的无光照电流（暗电流）Id和与端电压无关仅取决于输入光功率的光电流Ip。因此，在线性区内的伏安特性可以解析地表示为当输入光通量在确定的工作点附近作微量变化时，只需对上式作全微分即可得到微变等效方程为式中，g=是微变等效漏电导，s=是微变光电灵敏度，它们是伏安特性的微变参数。SGUIIUfIpd),(dsdUgdIdUUIdIUII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可按下列步骤进行。1）确定线性工作区域由对应最大输入光通最Φmax的伏安曲线弯曲处即可确定转折点M。相应的转折电压或初始电导值可由图a中图示关系决定。在线段MN上有关系由此可解得或上式给出了折线化伏安特性四个基本参数、、G和S间的关系。max000SGUUG0U0G)/(0max0GGSU0max0/USGG0U0G用解析法计算输入电路a)确定线性区b)计算输出信号2）计算负载电阻和偏置电压为保证最大线性输出条件，负载线和与Φmax对应的伏安曲线的交点不能低于转折点M。设负载线通过M点，此时由右图a中的图示关系可得当已知时，可计算出负载电导（阻）（）为当＝1/已知时，可计算偏置电源电压为000)(UGGUULbLGLR)/(000UUUGGbL)(/)(00maxGGGGGSULLb用解析法计算输入电路a)确定线性区b)计算输出信号bU]/)/1(/[0max0maxGSGGUSbLRLGbU3）计算输出电压幅度由图b，当输入光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压幅度为ΔU＝Umax-，其中Umax和可由图中M和H点的电流值计算得到在H点：在M点：解上二式得所以上式表明输出电压幅度与输入光通量的增量和光电灵敏度成