光電探測器_偏置電路_課件PPT

1、第四章第四章 光電信號處理（電路）光電信號處理（電路）4.1光輻射探測過程的噪聲4.1 光電探測器（見前ppt）4.2光電探測器的偏置電路4.3光電探測器的放大電路4.4微弱信號檢測4.5鎖定放大器4.6取樣積分器4.7光子計數(shù)器4.2 光電探測器的偏置電路v偏置：在探測器上加一定的偏流和偏壓使探測器能在電狀態(tài)正常工作，輸出光電信號。v目的：取出光電信號。v偏置電路的設(shè)計依據(jù)：器件的伏安特性v同晶體管加電源和偏置電路選取適當工作點的情況類似。4.2.1光電導探測器（光電導探測器（PC）的偏置電路）的偏置電路4.2.2光伏探測器（光伏探測器（PV）的偏置電路）的偏置電路主要內(nèi)容主要內(nèi)容v探測器的

2、伏安特性分三種類型：可變電阻型可變電阻型 光生電勢型光生電勢型 恒流型恒流型PC器件器件電阻型熱探測器電阻型熱探測器（加偏置，不分正負加偏置，不分正負） PV器件，器件，PMT（加反向偏置加反向偏置） 光電池光電池（不加偏置不加偏置 ） 4.2.1 光電導探測器的偏置一、基本偏置電路分析偏置電流：偏置電流：BlslVIRR設(shè)光照射在探測器上，其電阻值設(shè)光照射在探測器上，其電阻值變化為變化為RS，則電流變化即信號，則電流變化即信號電流電流iS為：為：2()BssllsVdRidIRRRS:光敏電阻；光敏電阻；RL：偏置電阻：偏置電阻輸出點A的直流電壓： ()BsAlsV RVRR信號電壓信號電壓

3、為：為： 02()BsBsssAlslsV dRV R dRVdVdVRRRR2()BlsslsV R dRVRR分析分析：a)VS與與VB的關(guān)系的關(guān)系 VBVS 但太大但太大,功耗功耗Pm損壞器件損壞器件 v例：化學沉淀PbS最大功耗Pm為0.2瓦每平方厘米,使用時要低于比值，取0.1瓦每平方厘米推導最大功耗Pm與VB的關(guān)系： Ad: 探測器光敏面積探測器光敏面積,平方厘米，平方厘米，RL，RS為電阻單位，為電阻單位，VBmax為為V單位單位 222max ()0.1()()BSBlmlSSlSlmdBSlSlSSV RVIPI RRRRRPAVRRRRRR22()()BlsBlsslsls

4、V R dRV RRVRRRRb）VS與RL的關(guān)系 令上式令上式=0=0則則 時，有極大值：時，有極大值： slRRmax4BsSlVRVR這時叫這時叫功率匹配功率匹配, , 信號電壓最大信號電壓最大。333()2()()(2)()()()lBslsBlssRlsBslslBssllslsVRRRV RRVRRVRRRRVRRRRRRR c) 最佳偏置條件的確定 在偏置電流在偏置電流Il一定條件下一定條件下,由上式可知：由上式可知：RlVs。但實際上當負載電阻但實際上當負載電阻RL時時,為保持固定的為保持固定的Il,應應該該VB 2()BlsslsV R dRVRR二、光電導探測器三種特殊偏置

5、方式及其特點分析1.三種常用的偏置方式1）恒流偏置當選定當選定RLRs ，則，則 與與Rs無關(guān)。無關(guān)。 即在工作過程中流過探測器的電流是一即在工作過程中流過探測器的電流是一恒定電流恒定電流。 BBllslVVIRRR當選RLG，上式簡化為，上式簡化為I=SI=S5 5）計算輸出功率計算輸出功率 22()bbbSPIVGVGGG （二）光生電勢型探測電路的靜態(tài)計算 pIdIICV光電池等效電路) 1(expKTqVIIIdppIId ：與溫度有關(guān)的二極管與溫度有關(guān)的二極管結(jié)電流結(jié)電流 光電流光電流 開路電壓開路電壓 電流電壓特性方程電流電壓特性方程 ) 1ln(dpocIIqKTV短路電流短路電

6、流 pscIIpdII dpocIIqKTVln當ppII有有dpocIqKTIqKTVlnln則：則：ococVqKTVln得：得：mVqKT268 .25室溫時室溫時 T=300K ，則，則 ：ln26mVVVococ利用上式，可在已知利用上式，可在已知、Voc時，計算另一時，計算另一 下的下的 Voc 1.無偏置的光電池電路： pIdII光電池等效電路LRIVLsRQQV光電池伏安曲線102LsLRR LsLRR LGtg11V2V由伏安曲線，對于給定的由伏安曲線，對于給定的0，只要選定，只要選定RL，工作點就能由負，工作點就能由負載線與光電池相應伏安曲線的交點決定。該點的載線與光電池相

7、應伏安曲線的交點決定。該點的IQ和和VQ即為即為RL上的輸出值。上的輸出值。由圖知：對應相同的由圖知：對應相同的=12，當當RL RLS時，呈非線性，在檢測電路中往往希望線性時，呈非線性，在檢測電路中往往希望線性。 v計算臨界電阻RLS由給定的由給定的max，利用，利用算出算出VOC。 取取dpocIIqKTVlnocsVV6 . 0VsVocVscISLsRtg11交于交于S點，得到臨界負載點，得到臨界負載RLS,即臨界電即臨界電阻阻RLS上的上的Vmax為為ocpLsVIRV6 . 0maxmax6 . 06 . 0ocpocLsVIVR則則 :v線性區(qū)工作分兩種情況：1）電流放大：要求R

8、L與后級放大器的輸入阻抗盡量小，使負載線靠近電流軸以得到最大的電流輸出。輸出電流變?yōu)镮SC和有良好的線性關(guān)系 pII2）電壓放大電壓放大：在保持良好線性情況下，有：在保持良好線性情況下，有最大的電最大的電壓輸出壓輸出，負載線可接近臨界負載線負載線可接近臨界負載線，則輸出電壓為，則輸出電壓為: LsRVv非線性區(qū):當RL RLS時，輸入電路處于非線性區(qū)。這時，除在光電流較小范圍內(nèi)有一很窄的線性區(qū)外，V與的對數(shù)成正比。對于較小的，開始的信號電壓輸出幅度較大。這一點對于探測弱信號特別有利。 例:光電池在光照度為100lx時，開路電壓為VOC=180mV, ISC=80A ，求在由50lx增加到200

9、lx時，為保證線性輸出所需最佳負載電阻值和輸出電壓變化量。 解：（解：（1）計算）計算200lx下的開路電壓下的開路電壓 mVmVVVococ200100200ln26180ln)(26（2）計算線性區(qū)域內(nèi)光電池的電流響應度）計算線性區(qū)域內(nèi)光電池的電流響應度 lxAEIsc/8 . 0（3）計算無偏壓時最佳電阻和輸出電壓變化量）計算無偏壓時最佳電阻和輸出電壓變化量 750) /(6 . 0EVRocLmVRVL90750)50200(8 . 0四、PV器件動態(tài)工作狀態(tài)設(shè)計v交變光信號是指快速變化或各類型調(diào)制光信號。v在分析和設(shè)計交變光信號探測電路時應考慮到下述幾個問題：1.確定探測電路動態(tài)工作

10、點。2.確定光信號頻率不失真的動態(tài)響應。3.滿足信號頻率要求下的信噪比。 輸入電路動態(tài)工作點的計算v交變電路中首先建立直流工作點以獲得最大的輸出。v另一方面輸入電路與后續(xù)電路通常由阻容連接等多種方式實現(xiàn)耦合。v后續(xù)電路的等效輸入阻抗將和輸入的直流負載電阻相并聯(lián)組成交流負載。在設(shè)計和分析輸入電路時，這是不同于前述靜態(tài)工作點計算的主要區(qū)別之一。 1.光電二極管交流探測電路如圖為反偏壓PD的交變光探測基本電路。PDbVbRLRC1）計算在已知偏壓）計算在已知偏壓Vb和光照度和光照度E時，時，負載電阻負載電阻RL應取多大應取多大才才能獲得最大功率和線性電壓輸出。能獲得最大功率和線性電壓輸出。 設(shè)入射照

11、度變化：設(shè)入射照度變化： 光照度變化范圍光照度變化范圍: : 在在信號頻帶范圍信號頻帶范圍內(nèi)，耦合電容內(nèi)，耦合電容C C可以認為是短路?？梢哉J為是短路。等效交流負載電阻：等效交流負載電阻：tEEEmsin0mEE 0LbRR /v假定交流負載線為MN，它過M點，斜率由RL/Rb決定。交流負載線與光照度E=E0對應的伏安特性相交于Q點，則過Q點的斜率為Gb的直線即為直流負載線。 VT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVV mQVV )(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN為了充分利用器件的為了充分利用器件的線性區(qū)間，對應的負線性區(qū)間，對應的負載線應通過特性曲

12、線載線應通過特性曲線的轉(zhuǎn)折點的轉(zhuǎn)折點M。VT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVVmQVV)(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN2）計算）計算RL上的輸出功率上的輸出功率PL和電壓值和電壓值Vm交流負載上交流負載上的輸出功率為的輸出功率為:mmmmIVVIVIP212121Vm 、Im與與Em對應的幅值對應的幅值負載電阻負載電阻RL上上輸出功率輸出功率22121mLLmLVGIVPVm是是RL上的電壓值。上的電壓值。 在在MHQ中，交流負載線斜率為：中，交流負載線斜率為： bLGG bLmmGGIV1由圖中幾何關(guān)系得: )()(0mEmQmQEESVVg

13、IIVT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVVmQVV)(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN0ESgVIEQQmmEmgVESIgGGESVbLmEm2)(2gGGESGPLbmELL得得: 將將PL對對GL求偏微分，得最大功率輸出條件為求偏微分，得最大功率輸出條件為: gGGbL則有：max2()EmLbS EVGg22max()()()88()bEmEmLbbGgS ES EPGgGg當已知電源電壓當已知電源電壓Vb時，時，根據(jù)動態(tài)工作點和靜態(tài)工作點重合于根據(jù)動態(tài)工作點和靜態(tài)工作點重合于Q點的條件點的條件，可計算出最大功率輸出條件下偏置電阻，可計算出

14、最大功率輸出條件下偏置電阻Rb。TQVQ中：中：bQbQGVVI)(0ESgVIEQQ且且比較可得比較可得 ：VT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVVmQVV)(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN最大功率輸出條件下最大功率輸出條件下偏置電阻偏置電阻Rb0bbEQbG VS EVGgVT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVVmQVV)(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN在最大功率輸出條件下，根據(jù)圖中幾何關(guān)系有MbmEMLQVgGESVVV)(2max比較兩式得，在比較兩式得，在最大功率輸出下的偏置電阻值最大功率輸出

15、下的偏置電阻值00(2)22()EmMbbMSEEgVGVV0bbEQbG VS EVGg002()(2)2bMbEmMVVRSEEgV2.光電池交流檢測電路 VQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 0靜態(tài)工作點：靜態(tài)工作點： 通過原點作直流負載線通過原點作直流負載線與與E=E0交點交點QbGtg1交流負載線交流負載線: 過過Q點，斜率為點，斜率為: )(1LbGGtg與最大輸入光功率與最大輸入光功率E0+Em 對應的光電池曲線相交于對應的光電池曲線相交于M點。點。 M點的電壓點的電壓VM應滿足應滿足 : Vm是與正

16、弦輸入光照度對應的輸出電壓峰值是與正弦輸入光照度對應的輸出電壓峰值. 0.6MQmOCVVVV由圖可知: VQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 0輸出輸出負載負載RL上的功率值上的功率值PL為為: mmmbLbLIEVGGGG將將PL對對GL求微分，可得求微分，可得最大功率輸出條件最大功率輸出條件： bLGG 2211()22mLLmbLEPG VGG得最大功率輸出時 : 2()18mLmbEPG2212mLmbLmLmmLmEVGPIEVVQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)

17、(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 0v由靜態(tài)工作點Q的狀態(tài)，可計算最大功率輸出下的偏置電阻Rb 。在在Q點處有點處有 ：在最大功率輸出條件下有在最大功率輸出條件下有 ：bmMLmMQGEVVVV2而而 得得 或或 /bQQGIV00(2)2mbMEEGV0002(2)MbLmVRREEVQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 00QIE 例.硅光電池2CR31。在100lx光照下 VOC=400mV, ISC=30A, 若輸入光照度若輸入光照度 lxtE)sin50150(求：最大功率線性輸出時求：最大功率線性輸出時 LmILmVLmPLRbR畫出等效電路：畫出