第4部分光电信号检测电路

第4章光电信号检测电路主要内容一．光电检测电路的设计要求二．光电信号输入电路的静态计算三．光电信号检测电路的动态计算四．光电信号检测电路的噪声五．前置放大器六．光电检测电路举例通常的光电检测电路组成光电器件输入电路前置放大器光电器件是实现光电转换的核心器件，是沟通光学量和电子系统的接口环节，把被测光信号转换成相应的电信号。输入电路是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器的电路匹配。前置放大器将光电器件输出的微弱电信号进行放大，同时匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。一．光电检测电路的设计要求设计原则：根据光电信号的性质、强弱、光学的和器件的噪声电平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电路参数，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.灵敏的、较强的光电转换能力：光电灵敏度。2.快速的动态响应能力：频率响应及选择特性。3.最佳的信号检测能力：信噪比(SNR)、等效噪声功率(NEP)。4.长期工作的稳定性和可靠性：二．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。下面以光电二极管或光电池为线索分别介绍各种工作状态下的电路计算方法。2/20cmmW161284051015mAi/M2/15cmmW2/10cmmW2/5cmmWVU/120080040004080120uAi/lx10000lx6000lx4000lx2000lx500VU/5432102004006008001000mAi/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。与晶体管集电极特性曲线类似，可以采用晶体管放大器类似的方法分析。区别在于光电流控制输出电流，而光电流是由输入光功率控制的。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U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改变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。图解法适用于大信号状态下的电路分析，在大信号状态下，可定性地输出信号的波形畸变。在做光电开关情况下，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，负载电阻的减小会增大输出信号电流，而减小输出电压。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：1、负载电阻的影响分析：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。利用图解法确定输入电路的负载电阻和反向偏置电压大小时，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，同时保证反向偏压不大于器件的最大工作电压Umax。1.由ΔΦ和ΔI选择RL和Ub超过转换点M，以便有最大不失真电压输出。2.同时保证Ub不大于器件最大工作电压Umax2、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QMPO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdIiMUO0UGarctan0arctanG折线化的画法二折线化的画法QMPO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdI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。PISp光电灵敏度的表达式：P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：QMPO0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。有：那么理想的光电二极管等效电路可表示为：SGUIIIpdIpIpIGRg1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：1、确定线性工作区域：OiM0U0U0UUbbU0arctanGGarctanNLGarctanmax由最大输入光通量的伏安曲线弯曲处即可确定转折点M。相应的有转折电压U0和初始电导G0，在线段MN有关系：max000SGUUG由此可得：GGSU0max00max0USGG或2、计算负载电阻和偏置电压：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU为保证最大线性输出条件，负载线和与对应的伏安曲线效点不能低于转折点M。设负载线通过M点，可得关系：000UGGUULb当Ub已知时，可得负载电导GL或电阻RL：0max011max000GSGGbbLLUSUUUGRG当RL已知时，可得偏置电源电压Ub为：GGGGGSULLb00max3、计算输出电压幅度：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU在输入光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压幅度为：0maxUUU由图中M和N点电流值计算：HSGUUUGbL:minmaxmaxMSGUUUGbL:max00联合求解：LbLGGSUGUminmaxLbLGGSUGUmax0求得ΔU：LLGGSGGSUminmax3、计算输出电流幅度：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU输出电流幅度：UGIIILminmaxLLGGSGGSUminmax由下式可得：LLGGSUGI1minmax通常，上式可简化为：GGLSSIminmax4、计算输出电功率：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU由功率关系：UIP可得：LLLGGSGUGUIP24.2.2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的方向相反对外电路形成电势，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ln1、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LGarctanQUO光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析：U2scI1scI1UIO12Ui2U0LR1R2RMRULRpIdII如图中光通量从Φ1增加到Φ2时，在短路状态RL=0时，输出电流增量ΔI=Isc2-Isc1，输出电压为0。随着RL的增大，电压增大。负载进一步增大，电压饱和，电流变小。也就是说存在一个临界电阻RM，经过RM之后，负载上电压变为饱和，输出电流逐渐减小。当处于最佳临界负载RM时，光通量较小时，负载上输出电流和电压近似随光通量成正比增加，而当光通量较大时，输出电流和电压逐渐呈现饱和。负载越大情况越明显。PUIRLU、I、PRMO另外，可以定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态（U、I、P）的影响：ssLpTIIRUIUUln1TLURIspeIIIssLpLTIIRUIRUUUIPln1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMR由下图可见，根据选用负载电阻的数值可以把光电池的工作状态分作：短路或线性电流放大、空载电压输出、线性电压放大和功率放大四个区域。1、负载电阻较小时，即I区间。光电池处于短路或线性电流放大，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。光电流与光通量有良好的线性关系：SIIeIIIscpRURIspLTL01SI和优点：在短路状态下，器件噪声电流较低，改善信噪比，适于微弱光信号检测。同时与受光面积成正比。1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMR2、负载电阻较大时，即IV区间。光电池处于断路或空载电压输出，实现一种非线性电压变换。光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大器连接，相当于输出开路。输出电压：sTspTsspTocISUIIUIIIUUUlnlnln优点：光电池输出电压的变化不需加偏置电源即可组成控制电路，实现光电开关作用。且较小光通量即可实现较大开路电压的变化，对弱光检测有利。但容易受温度影响，频率特性不理想。输出电压小。输出电压与受光面积的对数成正比。VUoc6.0~45.0通常光电池的开路电压为0.45～0.6V，在入射光强从零到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中简单地利用Uoc的电压变化不需加任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的优点。此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利。这种使用方式的频率特性不好，受温度影响也较大，这是它的不足之处。3、在II区间，可得到线性电压输出，在串联的负载电阻上得到与输入光通量近似成正比的信号电压，负载增大可提高输出电压。但超过RM值时输出信号发生非线性畸变。1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMRRM值的确定：对展开幂级数1TLURIspeIIITLsTLUIRiIUIRSI211已知IsI，要使输出电流I和输入光功率Φ成线性关系I=SΦ，则要求：1TLUIR已知最大允许光电流IM，相应的光通为ΦM时，可得到输出最大线性电压的负载RL应满足：MTMLIURRMSmV261U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U