光電檢測電路的設計

第七章光電檢測電路的設計 對于大多數的光電裝置 光電器件需要通過檢測電路才能實現(xiàn)光電信號的變換作用 通常 光電檢測電路是由光電檢測器件 輸入電路和前置放大器組成 光電檢測器件 輸入電路 前置放大器 輸入電路是連接光電器件和電信號放大器的中間環(huán)節(jié) 它的基本作用是為光電器件提供正常的電路工作條件 進行電參量的變換 例如將電流和電阻轉換為電壓 同時完成和前置放大器的電路匹配 輸入電路的設計應根據電信號的性質 大小 光學的和器件的噪聲電平等初始條件以及輸出電平和通頻帶等技術要求來確定電路的連接形式和工作參數 保證光電器件和后級電路最佳的工作狀態(tài) 并最終使整個檢測電路滿足下列技術要求 1 靈敏的光電轉換能力 使給定的輸入光信號在允許的非線性失真條件下有最佳的信號傳輸系數 得到最大的功率 電壓或電流輸出 2 快速的動態(tài)響應能力 滿足信號通道所要求的頻率選擇性或對瞬變信號的快速響應 3 最佳的信號檢測能力 具有為可靠檢測所必需的信噪比或最小可檢測信號功率 4 長期工作的穩(wěn)定性和可靠性 根據這些要求 檢測電路的設計通常包括的步驟為 電路靜態(tài)計算 電路動態(tài)計算和噪聲估算 一 光電檢測電路的靜態(tài)設計 檢測電路的靜態(tài)設計包括光電器件的選擇和輸入電路的靜態(tài)計算 本節(jié)內容包括 光電檢測器件的選擇要點 恒流源型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算 光伏型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算 可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算 檢測器件和放大電路的連接 1 光電檢測器件的選擇要點在以信息檢測和信號傳送為目的的光電系統(tǒng)中 光電檢測器件的作用是將載有被測信息的光輻射能量變換為電能 并在實現(xiàn)這種變換的過程中完成信息的傳遞 檢測器件是溝通光學和電子系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié) 它既是光路元件又是電路元件 有著光學和電子學的雙重屬性 作為光路元件 它是光信號接收器 是前級光學系統(tǒng)的輸出端口 作為電路元件 它是信號發(fā)生器 是后續(xù)電子系統(tǒng)的輸入端口 正是由于利用了光電檢測器件的雙重屬性 才建立了光路和電路的聯(lián)系 使彼此間得以連通 因此 光電檢測器件類型的選擇和工作狀態(tài)的確定對光電系統(tǒng)的工作品質至關重要 是系統(tǒng)設計的一個重要問題 為了提高傳輸效率 無畸變地變換光電信號 光電檢測器件不僅要和被測輻射源及光學系統(tǒng) 而且要和后續(xù)的電子系統(tǒng)在特性和工作參數上相匹配 使每個相互連接的器件都處于最佳的工作狀態(tài) 光電檢測器件和光路的匹配是在對輻射源和光路進行光譜分析和能量計算的基礎上 通過合理選擇光路和器件的光學參數來實現(xiàn)的 這要涉及到工程光學的內容 而光電檢測器件和電路的匹配則應根據選定的光電檢測器件的參數 通過正確選擇和設計電路來完成 光電檢測器件的選擇要點 1 檢測器件和輻射源及光學系統(tǒng)在光譜特性上匹配光電系統(tǒng)中光載波信號的能量來源是輻射源或光源 它們可分作兩類 即自然光源和人造光源 輻射能量由光源經測試目標 傳輸介質 接收光學系統(tǒng)被光電檢測器接收 為了提高有用光信號的能量利用 要求檢測器的光譜靈敏度分布和輻射源的光譜輻射度分布以及各傳輸環(huán)節(jié)的光譜透過率分布相覆蓋 實際上 在含有許多光譜分量的復合光通量 作用下 探測器的復合輸出I 是由單色輻射通量作用下的輸出值在整個光譜分布范圍內的積分值確定的 即 探測器對波長 的電流靈敏度 在輻射源和探測器之間存在選擇性衰減環(huán)節(jié) 如介質傳輸 光學系統(tǒng)和濾光器 時探測器的有效輸出為式中 o 是由輻射源發(fā)出的復合光通量 分別是傳輸介質 光學系統(tǒng)和濾光器的透過率光譜分布 因此 只有這些衰減環(huán)節(jié)的光譜分布盡可能地相互覆蓋才可能最充分地利用入射通量 下頁中列出了典型光源和探測器光譜的對應曲線 典型光源和探測器光譜的對應曲線相對光譜輻射亮度曲線1 太陽光2 日光燈3 GaP型LED4 GaAsP型LED5 雙波段LED6 鎢絲燈 2854K 7 GaAs型LEDb 相對探測靈敏度曲線1 檢測型Si光電二極管2 照相用Si光電二極管3 平面型Si光電池4 光電三極管5 臺面型光電二極管6 視見函數7 CdS光敏電阻 2 探測器的光電轉換特性和入射輻射能量的大小相匹配根據光電系統(tǒng)輻射源的發(fā)光強度 傳輸介質和目標的傳輸及調制損耗 接收光學系統(tǒng)接收孔徑的限制及反射吸收等損失的影響 可以計算出入射到探測器光敏面上的實際輻射能量 通常它們是很微弱的 探測器的選擇應充分利用這些有用的信號能量 為此要考慮 使探測器有足夠高的探測率 以確保獲得一定裕度的信噪比 探測器有合適的靈敏度S 以保證對應于入射輻射通量的微小變化 有足夠幅度的電信號輸出 使入射通量的變化中心處于探測器光電特性的線性范圍內 以確保獲得良好的線性檢測 典型光電檢測器件的探測率比較曲線 3 使檢測器件和光信號的調制形式 信號頻率及波形相匹配 以保證得到良好的時間響應和沒有頻率失真的輸出波形 為作到這一點 首先要選擇有良好的時間特性或頻率特性的光電器件 此外也取決于電路動態(tài)參數的選擇 4 使檢測器件和輸入電路在電特性上匹配以得到良好的電信號輸出 這包括 足夠的轉換系數和線性范圍 快速的動態(tài)響應 良好的信噪比 5 使檢測器件具有長期工作的可靠性和對工作環(huán)境的適應能力 為使器件工作可靠 需要使器件在額定條件下使用 這些條件包括額定功耗 工作電壓以及工作環(huán)境溫度等 器件的裝置空間 受光面積 電源設備 價格等在某些情況下甚至是選擇器件的主要考慮因素 需要根據待設計系統(tǒng)的要求和條件優(yōu)先選定 幾種典型光電檢測器件特性參數的定性比較 2 恒流源型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算光電檢測電路的設計任務是根據入射光信號的性質和大小來選擇輸入電路形式 并估算電路工作狀態(tài)和器件參數 在保證信號不失真的情況下獲得最大的光電轉換能力 同時要使之和后級放大電路相匹配以利于信號的進一步傳輸 緩慢變化的光信號通常采用直流檢測電路 直流電路的計算重點在于確定電路的靜態(tài)工作狀態(tài) 由于光電檢測器件伏安特性的非線性 一般采用非線性電路的圖解法和分段線性化的解析法來計算 我們將根據器件伏安特性的性質分作 恒流源型 光伏型和可變電阻型三種基本類型 并且以光電二極管為線索介紹它們在各種工作狀態(tài)下的電路計算方法 恒流源型光電檢測器件的伏安特性是一組以輸入光照度E或光通量 為參量的曲線組 在工作電壓較小的范圍內曲線呈彎曲的趨勢 并且有一轉折點M 工作電壓加大后曲線逐漸平直 隨輸入光通量的改變 各曲線間逐漸近似平行 間距相等 這種隨器件端電壓增大輸出電流變化不大的性質稱恒流源特性 恒流源型光電檢測器件的伏安特性a 光電倍增管b 光電二極管c 光電三極管 圖解計算法利用包含非線性元件的串聯(lián)電路的圖解法 圖a給出了在反向偏置電壓作用下光電二極管的基本輸入電路 圖中Ub是反向偏置電壓 RL是負載電阻 與輸入光通量 成正比的電壓信號Uo就是從RL的兩端輸出的 Ub RL和光電二極管V串聯(lián)連接 具有恒流源特性的光電檢測器件有光電管 光電倍增管和工作于反向偏置電壓狀態(tài)下的光電二極管以及光電三極管等 將圖中所示伏安特性和晶體三極管集電極特性相比較 其形狀類似 只是光電器件的光電流是由輸入光功率控制而晶體三極管是由基極電流控制 這表明 可以采用與晶體管放大器相類似的方法對恒流型光電器件進行分析和計算 計算光電二極管輸入電路的圖解法a 基本電路b 圖解法計算 對于這種簡單電路可列出回路方程或式中 U I 是非線性函數 上式可利用圖解法進行計算 如圖b 在伏安特性上劃出負載線Ub IRL 它是斜率為 1 RL 通過U Ub點的直線 與縱軸交于Ub RL點上 由于串聯(lián)回路中流過各回路元件的電流相等 負載線和對應于輸入光通量為 o時的器件伏安特性曲線的交點Q即為輸入電路的靜態(tài)工作點 當輸入光通量由 o改變 或 時 在負載電阻RL上會產生 U 或 U 的電壓信號輸出和 I 或 I 的電流信號輸出 上述圖解法特別適用于大信號狀態(tài)下的電路分析 例如在大信號檢測情況下可以定性地看到輸出信號的波形畸變 在用作光電開關的情況下可以借助圖解法合理地選擇電路參數使之能可靠的動作 同時保證不使器件超過其最大工作電流 最大工作電壓和最大耗散功率 a 負載電阻影響 在圖a中 當偏置電壓Ub不變時 對于同樣的輸入光通量 o 負載電阻RL的減小會增大輸出信號電流而使輸出電壓減小 但RL的減小會受到最大工作電流和功耗的限制 為了提高輸出信號電壓應增大RL 但過大的RL會使負載線越過特性曲線的轉折點M進入非線性區(qū) 而在這個范圍內光電靈敏度S l 不再是常數 這會使輸出信號的波形發(fā)生畸變 另一方面 在圖b中 對應于相同的RL值 當偏置電壓Ub增大時輸出信號電壓的幅度也隨之增大 并且線性度得到改善 但電路的功耗隨之加大 并且過大的偏置電壓會引起光電二極管的反向擊穿 利用圖解法確定輸入電路的負載電阻RL和反向偏壓Ub值時 應根據輸入光通量的變化范圍和輸出信號的幅度要求使負載線稍高于轉折點M 以便得到不失真的最大電壓輸出 同時保證Umax不大于器件的最大工作電壓 b 偏置電壓的影響 解析計算法利用如圖所示的折線化伏安特性 它是實際非線性伏安特性的分段折線化 近似畫法視伏安特性形狀而異 通常是在轉折點M處將曲線分作兩個區(qū)域 在圖a的情況下是作直線與原曲線相切 在圖b情況下是過轉折點M和原點o連線 得到折線化特性的非線性部分 再用一組平行的直線分別和實際曲線的恒流部分逼近 得到折線的線性工作部分 折線化伏安特性可用下列參數確定 a 轉折電壓 對應于曲線轉折點M處的電壓值 b 初始電導 非線性區(qū)近似直線的初始斜率 c 結間漏電導G又稱暗電導 線性區(qū)內各平行直線的平均斜率 d 光電靈敏度S 單位輸入光功率所引起的光電流值 設輸入光功率為P 對應的光電流為 則有S P式中的光功率P可以是光通量 單位lm 也可以是光照度E單位lx 光通量和照度之間的關系為 AE式中 A 光敏面受光面積 利用折線化的伏安特性 可將線性區(qū)內任意Q點處的電流值I表示為兩個電流分量的組合 即與二極管端電壓U成正比 由結間漏電導G形成的無光照電流 暗電流 Id和與端電壓無關僅取決于輸入光功率的光電流Ip 因此 在線性區(qū)內的伏安特性可以解析地表示為當輸入光通量在確定的工作點附近作微量變化時 只需對上式作全微分即可得到微變等效方程為式中 g 是微變等效漏電導 s 是微變光電靈敏度 它們是伏安特性的微變參數 在輸入光通量變化范圍 min max為已知的條件下 用解析法計算輸入電路的工作狀態(tài)可按下列步驟進行 1 確定線性工作區(qū)域由對應最大輸入光通最 max的伏安曲線彎曲處即可確定轉折點M 相應的轉折電壓或初始電導值可由圖a中圖示關系決定 在線段MN上有關系由此可解得或上式給出了折線化伏安特性四個基本參數 G和S間的關系 用解析法計算輸入電路a 確定線性區(qū)b 計算輸出信號 2 計算負載電阻和偏置電壓為保證最大線性輸出條件 負載線和與 max對應的伏安曲線的交點不能低于轉折點M 設負載線通過M點 此時由右圖a中的圖示關系可得當已知時 可計算出負載電導 阻 為當 1 已知時 可計算偏置電源電壓為 用解析法計算輸入電路a 確定線性區(qū)b 計算輸出信號 3 計算輸出電壓幅度由圖b 當輸入光通量由 min變化到 max時 輸出電壓幅度為 U Umax 其中Umax和可由圖中M和H點的電流值計算得到在H點 在M點 解上二式得所以上式表明輸出電壓幅度與輸入光通量的增量和光電靈敏度成正比 與結間漏電導和負載電導成反比 4 計算輸出電流幅度由圖b 輸出電流幅度為 可得通常 G 上式可簡化為5 計算輸出電功率由功率關系P I U可得 3 光伏型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算光伏型光電器件的伏安特性是一組以入射光功率為參量的曲線組 分布在伏安坐標系的第四象限 由于器件的端電壓U和電流I的方向相反 對外電路形成電勢 所以具有賦能元件的性質 可對負載供電 有這種伏安特性的光電器件包括光電池和工作于光電池狀態(tài)下的光電二極管等 光伏型光電器件的伏安特性和等效電路 光電池的輸出電流可改寫成如下形式式中 kT q 26mV T 300K Ip SE在使伏安特性倒轉到第一象限的情況下 伏安特性可表示為或相應的等效電路表示在上圖b中 光伏型光電器件輸入電路的計算將根據前述的表達式和相應的伏安曲線以及電路方程進行 其中上圖a是光伏器件直接和負載電阻連接的電路 稱作無偏置電路 在圖b的電路中 負載電阻上除串聯(lián)光伏器件外尚有與器件端電壓相反方向的偏置電源 組成反向偏置電路 圖c是作為能源變換器使用的太陽能電池充電電路 通常光電池多采用上圖a和c的電路 光電二極管多采用上圖b的電路 利用圖解計算法 對給定的輸入光通量 只要選定負載電阻RL 工作點Q即可由負載線與光電池伏安曲線的交點確定 該點處的電流電壓值IQ與UQ即為RL上的輸出值 相對的光通量增量 將形成對應的電流變化 I和電壓變化 U 上圖給出了無偏置光電池輸入電路的等效電路 圖a 及其計算圖解 圖b 對圖a的回路建立電路方程 有I Ip Id和 下面以光電池為例介紹無偏置電路的靜態(tài)計算方法 由于光電池特性的非線性 負載電阻的選擇會影響光電池的輸出信號 例如在上圖a中 對應光通量的增量 1 2 在短路狀態(tài)下 RL 0 輸出電流增量 I ISC1 ISC2 輸出電壓為零 隨著RL的增大 電流逐漸變小 輸出電壓隨之增大 直到某一臨界電阻RL之后負載上的電壓變得飽合 見上圖b 根據上述公式 在同一入射光通量下 負載電阻對光電池輸出電壓 電流 功率的影響曲線表示在上圖b中 另一方面 輸入光通量也影響輸入電路的工作狀態(tài) 由圖中可以看出 對確定的負載電阻如RL 當輸入光通量較小時負載上的輸出電流和電壓近似地隨入射光通量成正比例增加 而當入射光通量較大時輸出電流和電壓逐漸呈現(xiàn)飽合狀態(tài) 負載電阻愈大情況愈明顯 如圖a中R2的情況 可以定量地描述負載電阻和入射光通量對電路工作狀態(tài) I U P 的影響 1 短路或線性電流放大這是一種電流變換狀態(tài) 在這種狀態(tài)下 后續(xù)電流放大級作為負載從光電池中取得最大的輸出電流 為此要求負載電阻或后續(xù)放大器輸入阻抗盡可能小 由上圖a中可看到由于RL很小 輸出電流接近于短路電流 它與入射光通量有良好的線性關系 即 由圖b可見 根據選用負載電阻的數值可以把光電池的工作狀態(tài)分作 短路或線性電流放大 空載電壓輸出 線性電壓放大和功率放大四個區(qū)域 分別由圖中 表示 下面討論前三種工作狀態(tài) 此外 在短路狀態(tài)下器件噪聲電流較低 信噪比改善 所以最適用于弱光信號的檢測 短路電流隨受光面積的大小而改變 同一片光電池的短路電流或低阻負載時的負載電流與受光面積的變化曲線表示在下圖中 圖中A為受光面積 短路電流和開路電壓隨受光面積的變化曲線 2 空載電壓輸出這是一種非線性電壓變換狀態(tài) 此時光電池應通過高輸入阻抗變換器與前級放大電路連接 相當于輸出開路 開路電壓可寫成上式表明開路電壓與入射光通量的對數成正比 并且由于Ip與光電池面積成正比 所以同一光電池的開路電壓與光電池面積的對數成正比 如上圖所示 已知在給定入射光功率 光照度E或光通量 下的開路電壓Uoc 可以求出另一個入射光功率 光照度E 或光通量 下的開路電壓Uoc 由上式 有 聯(lián)立求解上二式 有所以通常光電池的開路電壓為0 45 0 6V 在入射光強從零到某一定值作跳躍變化的光電開關等應用中簡單地利用Uoc的電壓變化不需加任何偏置電源即可組成控制電路 這是它的優(yōu)點 此外 由伏安特性可以看到對于較小的入射光通量 開路電壓輸出變化較大 這對弱光信號的檢測特別有利 這種使用方式的頻率特性不好 受溫度影響也較大 這是它的不足之處 3 線性電壓輸出由圖負載電阻對光電池輸出電壓電流和功率的影響中b的 區(qū)域可見 這種工作狀態(tài)在串聯(lián)負載電阻上能得到與輸入光通量近似成正比的信號電壓 增大負載電阻有助于提高電壓 但卻引起輸出信號的非線性畸變 為了確定負載電阻的臨界條件 可利用式顯然 在很大時式中的指數項不能忽略 將上式展開成冪級數 忽略高階項 上式可簡化為I S 上式要求 1 由于 I 所以只要滿足條件 1就可以得到輸出電流和輸入光強的線性關系 負載電阻對光電池輸出電壓電流和功率的影響 令最大線性允許光電流為Is 相應的光通量為 s 則可得到輸出最大線性電壓的臨界負載電阻Rs為Rs Is 26mV S s對于交變信號情況 對應 max 的輸入光強變化 負載上的電壓信號為在線性關系要求不高的情況下 可以利用圖解法簡單地得到臨界電阻Rs值 此時 在電壓軸上選取臨界電壓Us 0 6Uoc的垂直線 與對應伏安曲線相交于S點 這樣也可以得到臨界電阻的負載線 此處倍數0 6是經驗數據 由于臨界電阻Rs上的電壓Us為Us RsIs 0 6Uoc 光電池近似線性區(qū)間的確定 所以 Rs值可近似計算為式中 Uoc是對應 max時的值 對應的輸出電壓的變化為 4 可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算阻值隨輸入光通量改變的光敏電阻的伏安特性是一組以輸入光功率為參量的通過原點的直線組 在一定范圍內光敏電阻阻值不隨外電壓改變 僅取決于輸入光通量 或光照度E 并有式中 是亮電導 是暗電導 阻值隨溫度改變的熱敏電阻也屬可變電阻型器件 其電阻值表達式為式中 為溫度T時的電阻 為溫度T 0時的電阻 為電阻溫度系數 T為溫度 當溫度變化 T時 電阻的變化量為 1 簡單輸入電路電路的圖解計算法表示在圖b中 這是一個線性電路的計算 在建立負載線之后即可確定對應于輸入光通量 變化的負載電阻上的輸出信號 電路的工作狀態(tài)也可以用解析法按線性電路規(guī)律計算 由圖a有當輸入光通量變化時 通過光敏電阻的變化 R而引起負載電流的變化 I 有 最簡單的光敏電阻電路和電路圖解法a 光敏電阻電路b 圖解法 負載電流變化 IL 光電導Gp為 又 微分得 則有 電壓變化量 上兩式給出了由于輸出光通量的變化 引起的負載電流和電壓的變化量 下面討論兩種典型的工作狀態(tài) 1 恒流偏置在輸入電路中的負載電阻比光敏電阻大得多的條件下有 R 此時負載電流變成這表明負載電流與光敏電阻值無關 近似保持常數 這種電路稱作恒流偏置電路 隨輸入光通量 的變化 負載電流的變化 I變成上式表明輸出信號電流取決于光敏電阻和負載電阻的比值 與偏置電壓成正比 此外可以證明恒流偏置的電壓信噪比較高 因此適用于高靈敏度測量 這是它的優(yōu)點 但是由于很大 為使光敏電阻正常工作的偏置電壓則很高 達100V以上 這給使用帶來不便 為了降低電源電壓 通常采用晶體管作恒流器件來代替 2 恒壓偏置在負載電阻比光敏電阻小得多時有 R 此時偏置電壓UL變成 0因此 光敏光阻上的電壓近似與電源電壓相等 這種光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱作恒壓偏置 負載上的信號電壓變成式中S G是光敏電阻的電導變化量 是引起信號輸出的原因 上式表示恒壓偏置的輸出信號與光敏電阻值無關 僅取決于電導的相對變化 這樣 檢測電路在更換光敏阻值時對電路初始狀態(tài)影響不大 這是該電路的優(yōu)點 2 電橋輸入電路為避免可變電阻型器件受環(huán)境溫度的影響常采用電橋電路 以熱敏電阻為例 選擇性能相同的兩個熱敏電阻和作電橋測量臂的電阻 普通電阻作為補償臂電阻 外加電源電壓為 在無輻射照射時 調節(jié)補償電阻 使電橋平衡 此時 熱敏電阻電橋電路 電橋輸出信號為Uo 0 當有輻射作用于熱敏電阻上時 溫升 T引起電阻的改變?yōu)槭街?為熱敏電阻的暗電阻 此時電橋平衡破壞 開路電壓Uo為在弱輻射作用下有 R 取 R和 其中是的暗電阻 則上式為由式可見輸出電壓與熱敏電阻變化量 R成比例 并與負載電阻R有關 令dUo dR 0 可計算當R 時Uo取最大值為 熱敏電阻電橋電路 5 檢測器件和放大電路的連接前述輸入電路的計算確定了在緩變光信號作用下電阻負載上的電流和電壓 對于大多數弱光信號的檢測 輸入電路通常要與信號放大電路相連接 隨著集成電路技術的發(fā)展 各種類型集成放大器廣泛應用于光電檢測中 下面介紹三種光電二極管與IC放大電路的典型連接方法 光電二極管和IC放大器的連接a 電流放大型b 電壓放大型c 阻抗變換型 1 電流放大型圖a是電流放大型IC檢測電路 光電二極管和運算放大器的兩個輸入端同極性相連 運算放大器兩輸入端間的輸入阻抗是光電二極管的負載電阻 可表示為式中 A是放大器的開環(huán)放大倍數 是反饋電阻 當A 100k 時 10 可以認為光電二極管是處于短路工作狀態(tài) 能取出近于理想的短路電流 處于電流放大狀態(tài)的運算放大器 其輸出電壓Uo與輸入短路光電流成比例 并有即輸出信號與輸入光通量成正比 此外 電流放大器因輸入阻抗低而響應速度較高 并且放大器噪聲較低 信噪比提高 這些優(yōu)點使其廣泛應用于弱光信號的檢測中 2 電壓放大型圖b是電壓放大型IC檢測電路 此處光電二極管的正端接在運算放大器的正端 運算放大器的漏電流比光電流小得多 具有很高的輸入阻抗 當負載電阻取1M 以上時 運行于光電池狀態(tài)下的光電二極管處于接近開路狀態(tài) 可以得到與開路電壓成比例的輸出信號 即式中 是該電路的電壓放大倍數 3 阻抗變換型反向偏置光電二極管或PIN光電二極管具有恒流源性質 內阻很大 且飽和光電流和輸入光通量成正比 在有很高的負載電阻的情況下可以得到較大的信號電壓 但如果將這種處于反向偏置狀態(tài)下的光電二極管直接接到實際的負載電阻上 則會因阻抗的失配而削弱信號的幅度 因此需要有阻抗變換器將高阻抗的電流源變換成低阻抗的電壓源 然后再與負載相連 圖c中所示的以場效應管為前級的運算放大器就是這樣的阻抗變換器 該電路中場效應管具有很高的輸入阻抗 因此光電流是通過反饋電阻形成壓降的 電路的輸入電壓Uo為Uo與輸入光通量成正比 當實際的負載電阻與放大器連接時 由于放大器輸出阻抗Ro較小 Ro 則負載功率Po為另一方面 計算光電二極管直接與負載電阻相連時負載上的功率 比較兩種情況可見 采用阻抗變換器可以使功率輸出提高倍 例如 當 1M 10M 時 功率提高100倍 這種電路的時間特性較差 但用在信號帶寬沒有特殊要求的緩變光信號檢測中 可以得到很高的功率放大倍數 此外 用場效應管代替雙極性晶體管作前置極 其偏置電流很小 因此適用于光功率很小的場合 二 光電檢測電路的動態(tài)設計 在許多場合下 光電檢測電路接收到的是隨時間變化的光信號 例如瞬變信號或各種形式的調制光信號 這類信號的特點是信號微弱 需要多級放大以及信號中包含著豐富的頻率分量等 與緩慢變化光信號檢測電路的靜態(tài)計算不同 在分析和設計交變光信號檢測電路時 需要解決下述幾項動態(tài)計算問題 即 1 確定檢測電路的動態(tài)工作狀態(tài) 使在交變光信號作用下負載上能獲得非線性失真最小的電信號輸出 2 使檢測電路具有足夠寬的頻率響應 以能對復雜的瞬變光信號或周期性光信號進行無頻率失真的變換和傳輸 1 輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計算在交變光信號輸入電路中 為提供檢測器件的正常工作條件首先要建立直流工作點 另一方面輸入電路和后續(xù)電路通常是經阻容連接等多種方式耦合的 后續(xù)電路的等效輸入阻抗將和輸入電路的直流負載電阻并聯(lián)組成檢測器的交流負載 這是不同于靜態(tài)計算的主要區(qū)別之一 現(xiàn)以光電二極管的兩種工作狀態(tài)為例介紹它們的動態(tài)計算方法 1 光電二極管交流檢測電路圖a給出了反向偏置光電二極管交流檢測電路的基本形式 首先確定在交流光信號作用下電路的最佳工作狀態(tài) 假定輸入光照度為正弦變化 具有的形式 光照度的變化范圍為 若在信號通頻帶范圍內 耦合電容Cc可認為是短路 則等效交流負載電阻是和的并聯(lián) 對應的交流負載線MN應該通過特性曲線的轉折點M 以便能充分利用器件的線性區(qū)間 其斜率由和的并聯(lián)電阻決定 交流負載線與光照度E 對應的伏安特性相交于Q點 該點對應交變輸入光照度的直流分量 是輸入直流偏置電路的靜態(tài)工作點 通過Q點作直流負載線可以圖解得到偏置電阻和電源的值 反向偏置光電二極管交流檢測電路及計算a 檢測電路b 圖解法 下面來計算負載上的輸出電壓和輸出功率值 負載電阻上的輸出電壓峰值Um可利用圖b中陰影線三角形MHQ的數值關系計算 若交流負載線的斜率是 設交流負載總電流峰值為Im 則有另一方面 在圖中的線段MH上有代入上式 有負載電阻上的輸出功率為式中 是負載上的電流峰值 有 將對求偏微分計算最大功率輸出下的負載電阻 1 可得可得阻抗匹配條件下負載的輸出電壓峰值Umo 最大輸出功率有效值和輸出電流峰值Imo 為最大功率輸出條件的直流偏置電阻和電源電壓可用解析法計算 靜態(tài)工作點Q的電流值由伏安特性有由負載線有求解上二式 有 負載電阻在電壓軸上工作點Q處的電壓UQ為 對比可得 解得 2 光電池交流檢測電路圖a是光電池交流檢測電路 圖b是處于線性區(qū)域的工作特性圖解 圖中直流負載是通過原點 斜率為的直線 當輸入光照度為時 光電池特性曲線中對應于的曲線與直流負載線相交于Q點 Q是靜態(tài)工作點 交流負載線通過Q點 斜率為 該負載線與最大輸入光照度對應的光電池曲線相交于M點 M點的電壓應滿足式中 是與正弦輸入的光照度相對應的輸出電壓峰值 對于的最大功率輸出條件下輸出電壓 功率和電流有類似的形式 偏置電阻的數值可計算為 2 光電檢測電路的頻率特性光電器件自身的慣性和檢測電路的耦合電容 分布電容等非電阻性參數的存在使光電檢測電路需要一個過渡過程才能對快速變化的輸入光信號建立穩(wěn)定的響應 為了表征這種動態(tài)響應能力 通常采用兩種分析方法 即時域分析法和頻域法 前者以經典的微分方程法為基礎 通過求解微分方程得到輸出響應的時間表達式 這種方法的全部計算都是在時間范圍內進行 可以獲得有關過渡過程的直觀描述 但一般計算繁瑣 缺乏明確的規(guī)律性 以傅里葉變換為基礎的頻域分析法是基于下述的基本出發(fā)點 1 多數情況下任何復雜的信號激勵都可看成為若干諧波信號的疊加 2 對于確定的環(huán)節(jié) 描述它對不同諧波輸入信號的響應能力的頻率特性是唯一確定的 是環(huán)節(jié)對交變信號動態(tài)響應的表征 3 多級檢測系統(tǒng)可以用其組成單元的頻率特性間的簡單計算得到系統(tǒng)的綜合頻率特性 有利于復雜系統(tǒng)的綜合分析 有關光電檢測器件的頻率響應已在相應各章節(jié)中介紹 需要強調指出的是 在光電器件以各種耦合方式和電路器件組成檢測電路時 其綜合動態(tài)特性不僅與光電器件本身有關 而且主要取決于電路的形式和阻容參數 需要進行合理的設計才能充分發(fā)揮器件的固有性質 達到預期的動態(tài)要求 工程上描述檢測通道頻率響應的參數是通道的通頻帶 F 它是檢測電路上限和下限截止頻率所包括的頻率范圍 F愈大 信號通過能力愈強 本節(jié)將以器件等效電路為基礎 介紹檢測電路的頻率特性 并給出根據被測信號的技術要求設計檢測電路的實例 1 光電檢測電路的高頻特性除熱釋電探測器件外 大多數的光電 熱電探測器件對檢測電路的影響突出地表現(xiàn)在對高頻光信號響應的衰減上 因此 首先討論光電檢測電路的高頻特性 現(xiàn)以反向偏置光電二極管交流檢測電路為例 圖中給出了該電路的微變等效電路圖 這里忽略了耦合電容Cc的影響 因為對于高頻信號Cc可以認為是短路的 但光電二極管結電容Cj的作用必須考慮 列出該電路的電路方程為 式中 是輸入光照度 是負載電流 是偏置電流 是結電容電流 是光電二極管反向漏電流 式中各光 電量均是復數值 求解上二式可得將改寫成下列形式式中 稱作檢測電路的時間常數 由上式可見檢測電路的頻率特性不僅與光電二極管參數和g有關 而且取決于放大電路的參數和 對應檢測電路的不同工作狀態(tài) 頻率特性可有不同的簡化形式 1 給定輸入光照度 在負載上取最大功率輸出時 要求滿足此時時間常數上限頻率 2 電壓放大時希望在負載上取得最大電壓輸出 要求滿足此時時間常數上限頻率 3 電流放大時希望在負載上取得最大電流 要求滿足 此時時間常數上限頻率 可見 為了從光電二極管中得到足夠的信號功率和電壓 負載電阻和不能很小 但過大的阻值又使高頻截止頻率下降 降低了通頻帶寬度 因此負載的選擇要根據增益和帶寬的要求綜合考慮 只有在電流放大的情況下才允許取得很小 并通過后級放大得到足夠的信號增益 因此 常常采用低輸入阻抗高增益的電流放大器使檢測器工作在電流放大狀態(tài) 以提高頻率響應 而放大器的高增益可在不改變信號通頻帶的前提下提高信號的輸出電壓 三 光電檢測電路的噪聲估算 實際的光電檢測電路存在有各種外部擾動和內部噪聲 外部擾動包括輻射源的隨機波動和附加的光調制 光路傳輸介質的湍流和背景起伏 雜散光的入射以及檢測電路所受到的電磁干擾等 這些擾動可以通過穩(wěn)定輻射光源 遮斷雜光 選擇偏振面或濾色片以及電氣屏蔽 電干擾濾波等措施加以改善或消除 光電檢測器件 輸入電路和前置放大器等的器件固有噪聲是光信號檢測接收的另一主要擾動源 這些內部噪聲是隨機起伏的 覆蓋在很寬的頻譜范圍內 它們和有用信號同時存在 相互混淆 限制了檢測系統(tǒng)分辨率的提高 因此 在光電檢測電路設計中 要進行綜合噪聲估算以確?？煽繖z測所必需的信噪比 系統(tǒng)的噪聲可分為來自外部的干擾噪聲和內部噪聲 內部固有噪聲是由于系統(tǒng)各元器件中帶電微粒不規(guī)則運動的起伏所造成 它們主要是熱噪聲 散粒噪聲 產生一復合噪聲 1 f噪聲和溫度噪聲等 噪聲描述 噪聲電壓或噪聲電流的均方根值則可用Un In表示 1 檢測電路的噪聲等效處理1 熱噪聲當溫度高于絕對零度時 器件內部雜亂無章的自由電子的熱運動 形成起伏變化的噪聲電流 大小與極性均在隨機地變化著 且長時間的平均值等于零 噪聲電壓均方值取決于材料的溫度 式中 K是波爾茲曼常數 T是材料的絕對溫度 R f 表示電阻隨頻率的變化關系 f f2 f1是熱噪聲的頻譜分布寬度 噪聲電流均方值 噪聲電壓均方值 室溫下熱噪聲的有效帶寬 B kT h 2 6 0 28GHz 噪聲功率譜密度在頻率f 1012Hz的整個無線電頻帶內是平坦的 電阻熱噪聲是一種白噪聲 溫度為T 300K時 2 散粒噪聲又稱散彈噪聲 元器件中有直流電流通過時 直流電流值只表征其平均值 而微觀的隨機起伏形成散彈噪聲 并疊加在直流電平上 散粒噪聲電流均方值為 q為電子電荷量 IDC為光電流平均值 也是與頻率無關的白噪聲 噪聲電流有效值 噪聲電壓 光電流的直流分量Ip 也同樣引起散粒噪聲 即 3 1 f噪聲又稱閃爍噪聲 是由元器件中存在局部缺陷或有微量雜質所引起的 在探測器 電阻 晶體管及電子管中均有這類噪聲 1 f噪聲 一般取 2 1 有 噪聲功率譜集中在低頻 也稱為低頻噪聲 4 產生 復合噪聲光電導探測器因光 或熱 激發(fā)產生載流子和載流子復合 或壽命 這兩個隨機性過程 引起電流的隨機起伏形成產生 復合噪聲 產生 復合噪聲與頻率f有關 屬于非白噪聲 但在相對低頻的條件下 即4 2f2 2 1時 公式可