光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1、濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1第五章 光電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)緩變光信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)恒流源型光伏型可變電阻型交變光信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)計(jì)算檢測(cè)電路的頻率特性光信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲估計(jì)濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2一般情況下，光電檢測(cè)電路是由光電器件、輸入電路和前置放大器組成。光電器件把被測(cè)量光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，而輸入電路則是為光電器件提供正常的工作條件，進(jìn)行電參量的變化（如將電流或電阻轉(zhuǎn)化為電壓），同時(shí)完成和前置放大器的電路匹配。光電器件輸出的微弱電信號(hào)由前置放大器進(jìn)行放大，前置放大器另一個(gè)作用是匹配后置處理電路與檢測(cè)器件之間的阻抗。濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院3檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)

2、光電信號(hào)的性質(zhì)、強(qiáng)弱、光學(xué)的和器件的噪聲電平以及輸出電平和通頻帶等技術(shù)要求來確定電路的連接形式和電路參數(shù)，保證光電器件和后續(xù)電路最佳的工作狀態(tài)，并最終使整個(gè)檢測(cè)電路滿足要求：1）靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力：使給定的輸入光信號(hào)在允許的非線性失真條件下有最佳的信號(hào)傳輸系數(shù)，得到最大的功率、電壓或電流輸出。2）快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力：滿足信號(hào)通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘?hào)的快速反應(yīng)。3）最佳的信號(hào)檢測(cè)能力：具有保證可靠檢測(cè)所必需的信噪比或最小課檢測(cè)信號(hào)功率。4）長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)這些要求，檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)通常包括的步驟步驟為：電路靜態(tài)計(jì)算、電路動(dòng)態(tài)計(jì)算、噪聲估算和放大電路的選擇和設(shè)計(jì)。濟(jì)南大學(xué)物理

3、科學(xué)與技術(shù)學(xué)院4緩慢變化的光信號(hào)通常采用直流電路進(jìn)行檢測(cè)，直流電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于確定電路的靜態(tài)工作狀態(tài)，即進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算。由于光電檢測(cè)器件伏安特性的非線性，一般采用非線性電路的圖解法圖解法和分段線性法分段線性法來計(jì)算根據(jù)器件伏安特性的性質(zhì)分為：恒流源型、光伏型和可變電阻型三種基本類型，以光電二極管或光電池為線索介紹計(jì)算方法。5.1緩變光信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院55.1.1 恒流源型光電檢測(cè)電路的靜態(tài)設(shè)計(jì)下圖給出了恒流源光電檢測(cè)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簇。在工作電壓較小的范圍內(nèi)曲線呈彎曲的趨勢(shì)，并且有一轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。隨著工作電壓的升高，曲線逐漸

4、平直。對(duì)于不同的輸入光通量，各曲線間近似平行且間距隨光通量增大趨于相等。這種輸出電流隨器件端電壓增大而變化不大的性質(zhì)稱為恒流源特性恒流源特性。具有這種伏安特性的器件有光電管、光電倍增管、光電二極管、光電三極管等。濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院6濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院7（一）圖解計(jì)算法利用包含非線性元件的串聯(lián)電路的圖解法對(duì)恒流源器件輸入電路進(jìn)行計(jì)算。Ub是反向偏置電壓，RL是負(fù)載電阻U0是與輸入光通量成正比的電壓信號(hào)（由RL兩端輸出）。濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院8Ub，RL是負(fù)載電阻和光電二極管串聯(lián)連接。對(duì)于這種簡(jiǎn)單電路可列出回路方程為L(zhǎng)bIRUIU)(U(I)是非線性函數(shù)。本方程可以利用圖解法

5、計(jì)算，如（b）圖所示，在伏安特性上劃出負(fù)載線Ub-IRL，它是一條斜率為-1/RL,通過U=Ub的直線，與縱軸交于Ub/RL。由于串聯(lián)回路中流過各回路元件的電流相等，負(fù)載線和對(duì)應(yīng)于輸入光通量為 的器件伏安特性曲線的交點(diǎn)Q即為輸入電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。當(dāng)輸入光通量由 改變 時(shí)，在負(fù)載電阻RL上會(huì)產(chǎn)生 的電壓信號(hào)輸出和 的電流信號(hào)輸出。00UI濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院9上述圖解法特別適用于大信號(hào)狀態(tài)下的電路分析。例如在大信號(hào)檢測(cè)情況下可以定性的看到輸出信號(hào)的波形畸變。在用作光電開關(guān)的情況下可以借助圖解法合理的選擇電路參數(shù)使之能可靠的動(dòng)作，同時(shí)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

6、。RL和Ub對(duì)輸出信號(hào)的影響濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院10(a)圖中，偏置電壓不變時(shí)，對(duì)于同樣的輸入光通量，負(fù)載電阻RL的減小會(huì)增大輸出信號(hào)的電流而使輸出電壓減小。但是RL的減小會(huì)受到最大工作電流和功耗的限制。為了提高輸出電壓應(yīng)增大RL，但過大的RL會(huì)使負(fù)載線越過特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M進(jìn)入非線性區(qū)，而在非線性區(qū)光電靈敏度S不再是常數(shù)，是引起輸出信號(hào)波形畸變。(b)圖中，對(duì)于同樣的負(fù)載電阻，當(dāng)偏置電壓Ub的增大會(huì)增大輸出信號(hào)的電壓的幅度，并且線性度得到改善，但電壓的功耗隨之變大，并且過大的偏置電壓會(huì)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(fù)載電阻RL和反向偏置電壓Ub時(shí)，應(yīng)根據(jù)輸入光通量的

7、變換范圍和輸出信號(hào)的幅度要求使負(fù)載線稍高于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，以便得到不失真的最大電壓輸出，同時(shí)保證Ub不大于器件的最大工作電壓。濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院11（二）解析計(jì)算法解析法需要對(duì)實(shí)際非線性伏安特性按照一定的畫法進(jìn)行分段折線化，具體畫法視伏安特性的形狀而異。通常在轉(zhuǎn)折點(diǎn)M處將曲線分為兩個(gè)區(qū)域。（a）作直線與圓曲線相切。（b）經(jīng)過轉(zhuǎn)折點(diǎn)和原點(diǎn)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(shí)際曲線的恒流部分逼近，得到折線化特性的線性工作部分。折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：（1）轉(zhuǎn)折電壓U0：對(duì)應(yīng)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)M處的電壓值。（2）初始電導(dǎo)G0：非線性區(qū)近似直線的初始斜率。（3）結(jié)間漏電導(dǎo)G：

8、線性區(qū)內(nèi)各平行直線的平均斜率。（4）光電靈敏度S：?jiǎn)挝惠斎牍夤β仕鸬墓怆娏髦?。?jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院12設(shè)輸入光功率為P，對(duì)應(yīng)的光電流為IP，則有PISP/式中的光功率P可以是光通量也可以是光照度E。光通量和照度之間的關(guān)系為AEA為器件光敏面受光面積。利用折線化的伏安特性，可將線性區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)Q處的電流值I表示為兩個(gè)電流分量的組合。SGUIIUfIpd),(：與二極管端電壓U成正比由結(jié)間漏電導(dǎo)形成的無光照電流（暗電流）：與二極管端電壓U無關(guān)，僅取決于輸入光功率的光電流。dIpI當(dāng)輸入光通量在確定工作點(diǎn)附件微小變化時(shí)，微變等效方程為SdgdUdIdUUIdIg是微變等效漏電導(dǎo)，S是微變光電

9、靈敏度，是伏安特性的微變參數(shù)。 在輸入光通量變化范圍為已知的條件下，解析法計(jì)算輸入電路的工作狀態(tài)步驟步驟n確定線性工作區(qū)域n計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓n計(jì)算輸出電壓幅度n計(jì)算輸出電流幅度n計(jì)算輸出電功率濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院14由對(duì)應(yīng)最大輸入光通量的伏安曲線彎曲處可確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)。轉(zhuǎn)折電壓或初始電導(dǎo)，可由伏安特性曲線幾何關(guān)系得到：max000SGUUG線段MN上滿足GGSU0max00max0USGG上式給出了折線化伏安特性四個(gè)基本參數(shù)U0、G0、G、S之間的關(guān)系。1.確定線性工作區(qū)域確定線性工作區(qū)域濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院15為保證最大線性輸出條件，負(fù)載線和與對(duì)應(yīng)的伏安曲線的交點(diǎn)不能低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)

10、M。設(shè)負(fù)載線通過M點(diǎn)，)(000UUGUGbL線段MN上滿足0max0max000)1 (GSGGUSUUUGGbbL2.計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓max（1）當(dāng)Ub已知時(shí)，可計(jì)算出負(fù)載電導(dǎo)GL或電阻RL（2）當(dāng)負(fù)載電導(dǎo)GL或電阻RL已知時(shí)，可計(jì)算出偏置電壓Ub)()(00maxGGGGGSULLb濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院16當(dāng)輸入光通量由 變化到 時(shí)，輸出電壓幅度為。max和可由伏安特性曲線H點(diǎn)和M點(diǎn)的電流值計(jì)算得到：點(diǎn)）HSGUUUGbL()(minmaxmaxGGSUGULbLmax03.計(jì)算輸出電壓幅度計(jì)算輸出電壓幅度maxmin0maxUUU點(diǎn)）MSGUUUGbL

11、()(max00GGSUGULbLminmax結(jié)論結(jié)論：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(jié)間漏電導(dǎo)和負(fù)載電阻成反比。GGSGGSUUULLminmax0max當(dāng)輸入光通量由 變化到 時(shí)，輸出電壓幅度為。max和可由伏安特性曲線H點(diǎn)和M點(diǎn)的電流值計(jì)算得到：點(diǎn)）HSGUUUGbL()(minmaxmaxGGSUGULbLmax03.計(jì)算輸出電壓幅度計(jì)算輸出電壓幅度maxmin0maxUUU點(diǎn)）MSGUUUGbL()(max00GGSUGULbLminmax結(jié)論結(jié)論：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(jié)間漏電導(dǎo)和負(fù)載電阻成反比。GGSGGSUUULLminmax

12、0max濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院17當(dāng)輸入光通量由 變化到 時(shí)，輸出電流幅度為4.計(jì)算輸出電流幅度計(jì)算輸出電流幅度maxminUGIIILminmaxGGSUL)(1GGSGGSILL通常5.計(jì)算輸出電功率計(jì)算輸出電功率22)(GGSGUGUIPLLL二、光伏型光電檢測(cè)電路的靜態(tài)計(jì)算光伏型光電器件的伏安特性，是以一組入射光功率為參量的曲線簇，分布在伏安坐標(biāo)系的第四象限。由于期間的端電壓U和電流I的方向相反，對(duì)外電路形成電勢(shì)，所以具有賦能元件的性質(zhì)，可以對(duì)負(fù)載供電。有這種伏安特性的光電器件包括光光電池電池和工作于光電池狀態(tài)下的光電工作于光電池狀態(tài)下的光電二極管二極管。pUUIeIIT) 1(/

13、0若將伏安特性倒轉(zhuǎn)到第一象限及對(duì)電流的正方向做相反規(guī)定，伏安特性可表示為：) 1(/0TUUpeIIIoopTIIIIUU)(ln18濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院19（一）光伏型器件深入電路的形式輸入電路的基本形式主要有三種：無偏置電路、偏置電路和太陽能電池電路。（a）無偏置電路：光伏器件直接和負(fù)載電阻連接；（b）偏置電路：負(fù)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，組成方向偏置電路；（c）太陽能電池電路：作為能量變換器使用的太陽能電池充電電路。光電池多采用（a）和（c）電路，光電二極管多采用（b）電路。濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院20（二）無偏置輸入電路的靜態(tài)計(jì)算對(duì)無偏置光電池

14、輸入電路的等效電路建立電路方程，有利用圖解計(jì)算法，對(duì)給定的輸入光通量 0，只要選定負(fù)載電阻RL，工作點(diǎn)Q即可由負(fù)載線與光電池相應(yīng)的伏安曲線的交點(diǎn)確定。該點(diǎn)處的電流IQ與電壓UQ即為RL上的輸出值。相對(duì)0的光通量增量，將形成對(duì)應(yīng)的電流變化I，和電壓U。LIRU ) 1(/0TUUPeIII由于光電池特性的非線性，負(fù)載電阻的選擇會(huì)影響光電池的輸出信號(hào)。例如在（a）圖中，對(duì)應(yīng)于光通量的增加率 = 1- 2，在短路狀態(tài)下（即RL=0），輸出電流增量I=ISC1-ISC2 ，輸出電壓為零。隨著RL的增大，輸出電壓隨之增大，直到某一臨界電阻RM之后負(fù)載上的電壓變成飽和，而輸出電流逐漸變小。另一方面，輸入光

15、通量也影響輸入電路的工作狀態(tài)。對(duì)確定的負(fù)載電阻如RM，當(dāng)輸入光通量較小時(shí)負(fù)載上的輸出電壓和電流近似的隨入射光通量成正比例增加，而當(dāng)入射光通量較大時(shí)輸出電流和電壓逐漸呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。負(fù)載電阻愈大情況愈明顯。21濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院22可以定量描述負(fù)載電阻和入射光通量對(duì)電路工作狀態(tài)（I、U、P）的影響，即根據(jù)上述公式，在同一入射光通量下，負(fù)載電阻對(duì)光電池輸出電壓、電流、功率的影響曲線表示在圖中。由圖可見，根據(jù)所選負(fù)載電阻的數(shù)值可以把光電池的工作曲線分為四個(gè)區(qū)域，分別是、，對(duì)應(yīng)的四個(gè)工作狀態(tài)為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。) 1(/0TLUIRPeIII00/lnII

16、RUIUULPT00/lnIIRUIRUUIUPLPLT濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院231.短路或線性電流放大短路是一種電流變換狀態(tài)。在此狀態(tài)下，后續(xù)電流放大級(jí)作為負(fù)載從光電池中吸取最大的輸出電流。為此要求負(fù)載電阻或后續(xù)放大電路輸入阻抗盡可能小。由于RL很小，輸出電流接近于短路電流，它與光通量有良好的線性關(guān)系，即此外，在短路狀態(tài)下器件噪聲電流較低，改善了信噪比，所以最適用于弱光信號(hào)的檢測(cè)。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電阻負(fù)載時(shí)的負(fù)載電流與受光面積的變化曲線表示在下圖中。SIeIIISCRUIRPLTL0/0) 1(SI2.空載電壓輸出空載電壓輸出是一種非線性電壓變化

17、狀態(tài)。此時(shí)光電池應(yīng)通過高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大電路連接，相當(dāng)于輸出開路。開路電壓可寫成上式表面光電池的開路電壓隨入射光通量增大按對(duì)數(shù)規(guī)律增大，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光敏面受光面積的對(duì)數(shù)成正比。必須指出的是開路電壓并不會(huì)無限增大，它的最大值受結(jié)勢(shì)壘高度的限制。通常光電池的開路電壓為0.45-0.6V,在入射光強(qiáng)從零oTopToopISUIIUIIIqKTUlnln)(ln24到某一定值做跳躍變化的光電開關(guān)等應(yīng)用中簡(jiǎn)單的利用UOC的電壓變化不需加任何偏置電源即可組成控制電路，這是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由此伏安特性可以看出對(duì)于較小的入射光通量，開路電壓輸出變化較大

18、，這對(duì)弱光信號(hào)的檢測(cè)特別有利。但光電池開路電壓與入射光功率呈非線性關(guān)系，同時(shí)受溫度影響大，頻率特性不理想。濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院253.線性電壓輸出線性電壓輸出狀態(tài)在串聯(lián)的負(fù)載電阻上能得到與輸入光通量近似成正比的信號(hào)電壓，負(fù)載電阻增大有助于提高輸出電壓。但當(dāng)增大到一定臨界值時(shí)，輸出信號(hào)開始發(fā)生非線性畸變。為了確定負(fù)載電阻的臨界條件，將電流展開成冪級(jí)數(shù)形式當(dāng) 時(shí)，忽略高階項(xiàng)，上式簡(jiǎn)化為)(! 31)(! 211 2TLTLoTLUIRUIRIUIRSI25MMTSmVIUI)(261/TLUIR由于I0I，所以只要滿足條件就可以得到輸出電流和輸入光功率的線性關(guān)系令最大線性允許光電流為IM，相

19、應(yīng)的光通量為M，則可得輸出最大線性電壓的臨界負(fù)載電阻RM為1/TLUIR SITLoURISI/1濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院26對(duì)應(yīng)于 的輸入光功率變化，負(fù)載上電壓信號(hào)的變化為在線性關(guān)系要求不高的情況下，可以利用圖解法簡(jiǎn)單的的得到臨界電阻RM的值。在電壓軸上作臨界電壓 的垂直線，與對(duì)應(yīng)的伏安曲線相交于M點(diǎn)，這樣也可以得到臨界電阻飛負(fù)載線。由于臨界電阻上的電壓UM為MMPMmVSSmVIRU)(26)(26maxOCMMMUIRU7 . 0OCMMMUIRU7 . 0所以，近似計(jì)算為OC對(duì)應(yīng)max時(shí)的值，倍數(shù)0.7是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)的 輸出電壓變化為max7 . 07 . 0SUIUROCpOCM

20、maxmax7 . 07 . 0OCOCPMUSSUIRU濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院27三、可變電阻型光電檢測(cè)電路的靜態(tài)計(jì)算阻值隨入射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(diǎn)的直線簇。在一定范圍內(nèi)光敏電阻的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，G是亮電導(dǎo)，Gd是暗電導(dǎo)。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(dá)式為式中，RT為溫度T時(shí)的電阻，R0為溫度T=0時(shí)的電阻，為電阻溫度系數(shù)，T為溫度。當(dāng)溫度變化T時(shí)，電阻的變化量RT為dpGGGIUR11)1 (0TRRT)0TRRT濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院28（一）簡(jiǎn)單輸入電路最簡(jiǎn)單的光

21、敏電阻輸入電路是線性電路，在建立負(fù)載線之后即可確定對(duì)應(yīng)于輸入光通量1- 2變化的負(fù)載電阻上的輸出信號(hào)。電路的工作狀態(tài)也可以用解析法按線性電路規(guī)律計(jì)算，由圖a可得：LbLRRUILbLLRRURU當(dāng)輸入光通量變化時(shí)，光敏電阻阻值變化R從而引起負(fù)載電流變化I，將上式求微分得：RRRUILbL2)(22)(LbLRRSRUISRGGSRdp22)(SESGgpLLbLLRRRSRUIRU22)(濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院29兩種典型的工作狀態(tài)1.恒流偏置當(dāng)負(fù)載電阻比光敏電阻大得多即RLR的情況，這時(shí)候可以認(rèn)為負(fù)載電流與光敏電阻阻值無關(guān)，近似保持常數(shù)。這種電路稱作恒流偏置電路。同理上式表明輸出信號(hào)電流

22、取決于光敏電阻和負(fù)載電阻的比值，與偏置電壓成正比。此外可以證明恒流源偏置的電壓信噪比較高，因此適用于高靈敏度測(cè)量。優(yōu)點(diǎn)。LbLRUI 22LbLRSRUI但是由于RL很大，為使光敏電阻正常工作的偏置電壓則需要很高（達(dá)100V以上），這給使用帶來不便。缺點(diǎn)。通常可用晶體管實(shí)現(xiàn)恒流偏置，如圖所示。利用晶體管在線性工作區(qū)時(shí)集-射極等效交流電阻很大，近似于恒流特性來實(shí)現(xiàn)偏置。但但由于電路中引入了晶體管等，將給檢測(cè)電路引入額外的噪聲。濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院302.恒壓偏置如果RLR的情況，則加在光敏電阻上的電壓近似為電源電壓Ub與R無關(guān)。這種電路稱作恒壓偏置電路。對(duì)于響應(yīng)度要求不是太高，而探測(cè)器本身

23、噪聲又比較大時(shí)，一般都采用這種偏置電路。負(fù)載RL上的信號(hào)電壓為上式表面恒壓偏置的輸出信號(hào)與光敏電阻的阻值無關(guān)，僅取決于S，即光電導(dǎo)的相對(duì)變化。這樣，檢測(cè)電路在更換光敏電阻值時(shí)對(duì)電路初始狀態(tài)影響不大。這是這種電路的優(yōu)點(diǎn)。LbSRUU（二）電橋輸入電路為避免可變電阻型器件收環(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(gè)熱敏電阻RT1和RT2作電橋測(cè)量臂的電阻；普通電阻作為補(bǔ)償臂電阻，外加電源電壓為Ub。在無外來輻射照射時(shí)，調(diào)節(jié)補(bǔ)償電阻R2，使電橋平衡。此時(shí)電橋輸出信號(hào)為U0=0.當(dāng)有輻射作用于熱敏電阻RT1時(shí)，溫升T引起電阻的改變?yōu)槭街?，R01為熱敏電阻RT1的暗電阻。此時(shí)電橋平

24、衡破壞，開路電壓U0為1221RRRRTTRRRT011222101010)(RRRURRRRRUUTTbb)(221012RRRRRRRUTb)(221012RRRRRRRUTb濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院32在弱輻射作用下，有 ，取 ，其中R02是RT2的暗電阻。則有由上式課件輸出電壓U0與熱敏電阻變化量R成比例，并與負(fù)載電阻R有關(guān)。令可計(jì)算出當(dāng)R=R0時(shí)U0取最大值，為20010)(RRRRUUb101RRRRRR2100201RRRRRUUb4max000dRdU濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院33第二節(jié) 交變光信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 光電檢測(cè)電路接受到的是隨時(shí)間變化的光信號(hào)，如瞬變光信號(hào)或各種類

25、型的調(diào)制光信號(hào)，這類信號(hào)稱為交變光信號(hào)，其特點(diǎn)是信號(hào)中包含著豐富的頻率分量，當(dāng)信號(hào)微弱時(shí)，還需要多級(jí)放大等。與緩變光信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)不同，在分析和設(shè)計(jì)交變光信號(hào)檢測(cè)電路時(shí)，需要解決下面的動(dòng)態(tài)計(jì)算問題：確定檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)，使在交變光信號(hào)作用下負(fù)載上能獲得最小非線性失真的電信號(hào)輸出；使檢測(cè)電路具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，以能對(duì)復(fù)雜的瞬變光信號(hào)或周期光信號(hào)進(jìn)行無頻率失真的變化和傳輸。一、光電信號(hào)輸入電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算一、光電信號(hào)輸入電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算 為提供光電檢測(cè)器件正常的工作條件，首先要在交變光信號(hào)輸入電路中建立直流工作點(diǎn)。另一方面輸入電路和后續(xù)電路通常是依靠阻容連接等多種方式向耦合。

26、后續(xù)電路的等效輸入阻抗和輸入電路的直流負(fù)載電阻并聯(lián)作為檢測(cè)器的交流負(fù)載。這是不同于靜態(tài)計(jì)算的主要區(qū)別之一。現(xiàn)以光電二極管和光電池為例介紹交流檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)計(jì)算方法。濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院34（一）光電二極管交流檢測(cè)電路首先，確定在交變光信號(hào)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即 ，光照度的變化范圍為 。若在信號(hào)通頻帶范圍內(nèi)，耦合電容Cc可認(rèn)為是短路，則等效交流負(fù)載電阻式Rb和RL的并聯(lián)。對(duì)應(yīng)的交流負(fù)載線MN應(yīng)該通過特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，以便能充分利用器件的線性區(qū)間，其斜率由Rb和RL的并聯(lián)電阻決定。交流負(fù)載線與光照度E=E0對(duì)應(yīng)的伏安特性相交于Q點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(diǎn)。通過Q點(diǎn)作直流負(fù)載線可以圖解得到偏置電阻Rb和電源Ub的值。負(fù)載電阻上的輸出電壓峰值Um可以利用圖（b）中陰影線三角形MHQ的數(shù)值關(guān)系計(jì)算。若交流負(fù)載的斜率是GL+Gb，設(shè)交流負(fù)載總電流峰值為Im，則有bLmmGGIUtEmsinEe0mE0E濟(jì)南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院35圖中的線段MH上有電流關(guān)系代入上式有負(fù)載電阻上的輸出功率為式中， 是負(fù)載RL上的電流峰值。由PL對(duì)RL求偏微分計(jì)算最大功率輸出下的負(fù)載電阻 ，可得阻抗匹配條件下負(fù)載的輸出電壓峰值Um0、最大輸出功率有效值PLm、和輸出電流峰值Im0為mmEmgUESI