新光電第五章第一、二節(jié)

1、第五章第五章 光電檢測電路光電檢測電路 大多數(shù)光電器件都需經(jīng)過檢測與轉換電路才能實現(xiàn)光電信號的變換，通常光電檢測電路由光電檢測器件、光電檢測器件、輸入電路和前置放大器輸入電路和前置放大器組成。 光電檢測器件是實現(xiàn)光電轉換的核心器件，是溝通光學量和電子系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié)。 前置放大及耦合電路是電信號必須經(jīng)過的一個重要環(huán)節(jié) ，以實現(xiàn)對光電器件輸出信號的精確檢測。 輸入電路是連接光電器件和前置放大及耦合電路的中間環(huán)節(jié)，它不僅為光電器件提供正常的電路工作條件，并且同時完成前置放大及耦合電路的電路匹配。第五章第五章 第一節(jié)第一節(jié) 光電檢測電路的設計要求光電檢測電路的設計要求第一節(jié)第一節(jié) 光電檢測電路的設計要

2、求光電檢測電路的設計要求1光電轉換能力強光電轉換能力強光電轉換能力參數(shù)，常用光電靈敏度(或稱傳輸系數(shù)、轉換系數(shù)、比率等)，即單位輸入光信號的變化量所引起的輸出電信號的變化量。輸入光信號在允許的非線性失真條件下應盡量有最佳的信號傳輸系數(shù)，如線性范圍寬、斜率大等，從而可以得到最大功率、電壓或電流輸出。2動態(tài)響應速度快動態(tài)響應速度快應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信號檢測能力強信號檢測能力強信號檢測能力，主要是指光電檢測電路輸出信號中有用信號成分的多少，常用信噪比、功率等參數(shù)表征。通常要求光電檢測電路具有可靠檢測所必需的信噪比或最小可檢測信號功率。4穩(wěn)定性、可靠性好穩(wěn)定性

3、、可靠性好長期工作情況下應穩(wěn)定、可靠。第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 主要是指各種典型光電器件輸入電路的靜態(tài)工作點設計等部分內容。 輸入電路是連接光電器件和前置放大及耦合電路的中間環(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，同時完成和前置放大及耦合電路的電路 匹配。由于不同的光電器件具有不同的特性和技術指標，因此與之相配的輸入電路也各不相同。輸入電路的設計應根據(jù)光電器件輸出電信號的性質、大小以及光學和器件的噪聲電平等 初始條件，同時考慮輸出電平和通頻帶等技術要求，最終確定電路的連接形式和工作參數(shù)。第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié)

4、光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 一、光敏電阻電路的靜態(tài)設計一、光敏電阻電路的靜態(tài)設計 常用光敏電阻工作電路有簡單式和電橋式兩種。 (一一) 簡單式工作電路簡單式工作電路 圖5-1a是一個最簡單的光敏 電阻工作電路。這是一個線 性電路，建立負載線就可以 確定對應于輸入光照度變化 的負載電阻上的輸出信號。第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 光敏電阻工作時不能超過其最大耗散功率Pmax，(可查產(chǎn)品目錄)，否則就易損壞。任何光照度下工作都必須滿足： (5-1) 因Pmax數(shù)值一定，因此計算電路靜態(tài)工作點的圖解曲線如圖5-1c所示。 Pmax曲線左下部

5、分為允許 工作區(qū)域。電路工作狀態(tài)可以用解 析法按線性電路規(guī)律計算。 由圖5-1a有： (5-3) (5-4)maxIUPbLLUIRRLLbLRUURR直線直線AB為圖為圖5-1中光敏電阻中光敏電阻R的的I-U關系曲線。關系曲線。第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 一定范圍內光敏電阻阻值R不隨外電壓改變，僅取決于入射光照度E，并且有： (5-5) Gp：亮電導，Gp=SgE；Gd：暗電導；Sg：光電導靈敏度。 當輸入光照度變化時，通過光敏電阻的變化R引起負載電流的變化I。將式(5-3)對R微分得： (5-6) R由式(5-5) ： 所以 (5-7) （5-

6、8） 結論：照射到光敏電阻上的光照度增加，負載電阻的電流和電壓相應增大。pd1URIGGb2LU()IRRR 2bg2LR U()SIERR 2bgLL2LR U()SUIRRERR ESRGGESRgdpg22第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 微變等效電路如圖5-1b所示。設入射到光敏電阻的輻射為正弦波，有： (5-9) E：入射光照度；：調制圓頻率。 則流過光敏電阻的光電流I： (5-10) I0：電流的直流分量， I0 =SgE0U； Im/（1+j）：微變光電流的幅值， Im =SgEmU ； ：時間常數(shù)。jt0mEEE ejtm01IIIej第

7、五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 如果令 (5-11) 由式(5-11)可以看出，流過光敏電阻R的微變光電流i相當于電流源在RC并聯(lián)電路中被C分流后流過電阻的電流。圖中C是按光敏電阻屬性引入的等效電容，C=/R；R為與直流輻射分量相對應的光電阻。 光敏電阻輸入電路設計中，負載電阻RL和電源電壓Ub是兩個關鍵參數(shù)，需慎重選擇。m1Iij第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 1負載電阻的確定負載電阻的確定 1) 恒流偏置。RLR時，負載電流IL由式(5-3)簡化為： (5-12) 表明負載電流與光敏電阻值無關，且近似為常數(shù)。

8、 隨入射光照度E的變化，負載電流的變化I由式(5-3)變?yōu)椋?（5-13） 即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。恒流偏置的電壓信噪比較高，適用于高靈敏度測量。但由于RL很大，為使光敏電阻正常工作所需偏置電壓很高，有時達100V以上，給使用帶來不便。為降低電源電壓，常采用晶體管作恒流器件來代替RL 。bLLUIR2bL()RISUER UccUoutRpRbReDzCUB晶體管恒流偏置電路圖例三極管基極被穩(wěn)壓，三極管基極被穩(wěn)壓，Ib, Ic恒定，即光敏電阻恒定，即光敏電阻Rp達到恒流偏置目的。達到恒流偏置目的。此時，動態(tài)輸出此時，動態(tài)輸出Uout=Uc= IcRpIe

9、Rp = (UB/Re)Rp2SgE第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 2)恒功率偏置。將式(5-8)對RL微分，有 ： (5-14) 當RL =R時，表示負載匹配負載匹配： 此時探測器的輸出功率最大，稱它為匹配狀態(tài)匹配狀態(tài)。R為對應于某光照度的光敏電阻值，此時輸出功率： (5-15)0Ld UdR2Lbg3LL()()RRRd UU SEdRRR2bLLL4UPI UR2bgLL2LR U()SUIRRERR 第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 3) 恒壓偏置。當光敏電阻在較高頻率下工作時，除選用高頻響應較好的光敏電

10、阻外，負載電阻必須取較小值，否則時間常數(shù)較大，對高頻響應不利。所以在較高頻率下電路往往處于失配狀態(tài)。當RL AB ，所以 U U 。 當Ub增大時，光敏電阻的損耗將增加， 靠近但不能超過允許功率曲線Pmax， 否則光敏電阻將損壞或性能下降。2bgLL2LR U()SUIRRERR 第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 電源電壓Ub也受允許最大耗散功率Pmax限制： (5-18) 當RL確定后，電源電壓Ub由上式限定，不能超過，否則工作時有可能超過Pmax 。另外，使用時也不應超過光敏電阻參數(shù)中給出的極限工作電壓值。 如果為了電源設備簡單，電路可以共用一個電源

11、Ub ，則負載電阻必須滿足 (5-19) 此外，為得到大的電流變化，當RL= 0時， (5-20) 式中，R為光照度最大時的光敏電阻值。bmaxL4UPR2bLmax4URPRPUbmax 有時也從信噪比信噪比角度出發(fā)選擇電源電壓。光敏電阻信號電壓隨電源電壓而增大。在低偏置電壓下，光敏電阻噪聲主要是熱噪聲。偏壓升高時，流過光敏電阻的電流增加，電流噪聲起主要作用，且噪聲電壓增加速度比信號電壓增加速度快。故探測器S/N隨偏置電壓(或電流)的變化有一最佳值，見圖5-2。光敏電阻的工作點應選在信噪比最 大的偏置電壓(或電流)下最為合適。 從信噪比出發(fā)決定電源電壓后，應 校驗一下電壓或功率是否超過該光

12、敏電阻的允許值，并要適當留有余 地。在實際工作中還應根據(jù)不同的 需要和工作情況，選擇合適的電源 電壓Ub和負載電阻RL 。第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 (二二) 電橋式工作電路電橋式工作電路 為減小光敏電阻受環(huán)境溫度影響而引起靈敏度變化，常采用圖5-3所示橋式工作電路。選擇性能相同兩個光敏電阻RT1和RT2作電橋測量臂電阻；普通電阻R1和R2作為補償臂電阻。無光照時，調節(jié)補償電阻R2 ，使電橋平衡，電橋輸出信號U0=0。 第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測

13、電路的靜態(tài)設計有光照時，光照度變化E引起電阻的改變?yōu)椋?(5-21)R01：光敏電阻RT1的暗電阻。此時電橋平衡破壞，開路電壓U0為： （5-22） 弱光條件下R 1，式(5-38)可寫成： (5-39) 上式表明，開路電壓與入射光照度對數(shù)成正比。 通過給定入射光功率(光照度E0)下的開路電壓值Uoc0 ，可求出其他入射光功率(光照度E)下的開路電壓Uoc： 因此有 (5-40) 在這種狀態(tài)下，對于較小入射光照度，開路電壓輸出變化較大，有利于弱光電信號檢測。但開路電壓隨光照度的變化為非線性。在此狀態(tài)下工作的光電池相當于電壓源，與放大器相連時應采用高輸入阻抗放大器或阻抗變換器。Poc0ln1IK

14、TUqIPocTT00lnlnISEUUUII0ococ0TT00lnlnSESEUUUUIIococ0T0lnEUUUE 3線性電壓輸出輸出 當RL很小甚至接近于零時，電路工作在短路及線性電流放大狀態(tài)。而當RL稍微增大，但小于臨界負載電阻RS時，電路就處于線性電壓輸出狀態(tài)，如圖5-6 中的區(qū)。這種工作狀態(tài)下， 串聯(lián)的RL上能夠得到與輸入 光照度近似成正比的信號電 壓。增大RL有助于提高電壓， 但可能引起輸出信號的非線 性畸變。第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 由式(5-35)有：

15、(5-41) 令最大線性允許光電流為IS，相應光照度為ES ，則可得到輸出最大線性電壓的臨界負載電阻RS： (5-42) 對于交變信號情況，對應ES E的輸入光照度變化，負載上的電壓信號為： (5-43) 在線性關系要求不高情況下，可利用圖解法找到圖5-6中的OA曲線，簡單地確定臨界電阻RS的值。此時US大約為0.6 Uoc ，因此 (5-44) 式中， Uoc為對應ES時的開路電壓。LTLLT/LP0P0(1)(1)UUI RUIII eII eSSSURSESSPSSSUEURIS EUSEEococSPS0.60.6UURISE第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電

16、路的靜態(tài)設計 (二二)太陽能電池電路太陽能電池電路 光電池用作太陽電池可將太陽光能量直接轉換成電能供給負載。此時需要最大輸出功率和轉換效率。單片光電池電壓很低，輸出電流很小，不能直接用作負載電源。一般將多個光電池串并聯(lián)，組裝成光電池組。 為保證在黑夜或弱光情況下 仍能正常供電，往往把光電 池組和蓄電池組裝在一起使用， 通常把這種組合裝置稱為太陽 能電源，如圖5-7a所示。 電路中的VD是為防止蓄電池 經(jīng)光電池放電。第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計為使太陽電池輸出的功率最大，必須選擇合適的負載。在某種光照度下，使UI最大的負載電阻RM稱為最佳負載。從圖5-

17、6可看出，其工作點一般在特性曲線彎曲處。例如對于光照度E5在A點附近，因為A點的I和U都較大，積UI才有可能最大。不同光照度下，伏安特性彎曲位置各不相同，因而使P= UI為最大的RM也不同。 RM與光照度E的關系見圖5-7b。要求負載隨光照度隨時改變很困難，只能根據(jù)具體情況選擇一個較為合適的負載。 光電池作為測量元件使用時，后接有放大器，并不要求輸出最大功率，重要的是輸出電流或電壓與光照度成比例變化。因此在選擇負載電阻時，應盡可能選小一些，以利于線性變化及改善頻率響應。 四、光敏二極管電路的靜態(tài)設計四、光敏二極管電路的靜態(tài)設計 (一一) 基本電路基本電路 圖5-8a為反偏時光敏二極管基本輸入電

18、路。光敏二極管產(chǎn)生的光電流(或信號電壓)較小。圖5-8b為等效電路。若忽略耦合C和反向結電阻Rg，總負載電阻RL= RL /ri，則輸出電壓： (5-45) 當放大器輸入阻抗ri RL時， RL= RL，輸出電壓信號最大。 所以光敏二極管后接前放及耦合 電路應具有很高輸入阻抗，如采 用運放，則應選FET型。第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計LLELELiiR rUi RiRr第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 (二二)計算方法計算方法1圖解計算法圖解計算法 用U（I）表示光敏二極管上的 電壓，對于圖5-8a所示的簡單

19、電路可列出回路方程： (5-46) 式中， U（I）是非線性函數(shù)。 式(5-46)可以利用圖解法計算，見圖5-9，在伏安特性上畫出負載線，其斜率為-1/ RL ，通過點U=Ub，與縱軸相交于Ub /RL點。由于串聯(lián)回路中流過各元件電流相等，負載線和對應于輸入光照度為E0時的器件伏安特性曲線的交點Q即為輸入電路工作點。當輸入光照度由E0改變E時，在RL上會產(chǎn)生的 U電壓信號輸出和的 I電流信號輸出。 bLUU IIR bLU IUIR第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 例例5-1 電源電壓Ub=9V，光敏二極管上的光照度在01501x之間變化。若光照度在此范

20、圍內作正弦變化，要使輸出交變電壓的幅值為3V，求RL ，并作出負載線。 解解 光敏二極管暗電流為2A，光照度為1501x時的光電流 為17 A ，因此光電流變化量： 交變光電流的幅值為I/2=7.5 A ，因此負載電阻RL為： 通過N點(9，0)作一條與 U軸成=tan-11/R角的直線， 與軸交于M點，則MN即為 所求負載線，Q為電路工作點。172 A15AI 63400k7.5 10LURI 第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 2解析計算法解析計算法 主要利用折線化伏安特性，如圖5-11所示。折線化特性曲線近似畫法視伏安特性形狀而異，通常是在轉折點M處

21、將曲線分作兩個區(qū)域。 圖5-11a情形作直線與原曲線相切； 圖5-l1b情形過轉折點M和原點O連線，得到折線線性工作部分。 輸入光照度變化范圍Emin Emax為已知時，解析法計算輸入電路工作狀態(tài)按下列步驟進行： 1) 確定線性工作區(qū)域。由Emax伏安特性曲線彎曲處即可確定轉折點M。相應轉折電壓和初始電導值可由圖5-12a中所示關系決定。在線段MN上有： (5-47) 解得： 或： (5-48) 折線化伏安特性可以用U0、 G0 、G和S四個基本參數(shù)表示。 U0：轉折電壓，即曲線轉折點M處的電壓值； G0：初始電導， 表示非線性區(qū)近似直線的初始斜率； G為結間漏電導，是線性區(qū)內各平行直線的平均

22、斜率；S：器件的光電靈敏敏度。第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計000maxG UGUSEmax00SEUGGmax00SEGGU第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 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Emax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，此時由圖5-12a中的圖示關系可得： 當已知Ub時，可計算出負載電導(阻) GL (RL)為： (5-49) (5-50)0L00bUUGGU0maxL0maxb0b00(1)USEGGSEGUUUGGb0LLmax0(1)11G

23、UGRGSEG第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 3) 計算輸出電壓幅度。由圖5-12b可得，當輸入光照度由Emin變化到Emax時，輸出電壓幅度為U= U max - U 0 ，其中U max和U 0可由圖中M和H點的電流值計算得到。 H點：GL（ U b - U max）= GU max + SE min M點：GL（ U b - U 0）= GU 0 + SE max 所以 (5-51) 結論：電壓幅度與輸入光照度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。 maxminLLEEUSSGGGGLbminmaxLG USEUGGLbmax0L

24、G USEUGG解得：第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 4) 計算輸出電流幅度。由圖5-12b，輸出電流幅度為： 將式(5-51)代人，可得： (5-52) 通常GLG，上式可簡化為： (5-53) 5) 計算輸出電功率。由功率關系P = I U 可得： (5-54)maxminLIIIUG maxminLL1/EEIUGSG G maxminIS EES E 22LLLS EPGUGGG第五章第五章 第二節(jié)第二節(jié) 光電檢測電路的靜態(tài)設計光電檢測電路的靜態(tài)設計 光敏晶體管與一般晶體管類似，差別為前者由光照度控制光電流，后者則由基極電流控制集電極電流。因此，只要用光敏晶體管的靈敏度S代替晶體管的電流放大系數(shù)，就可采用與晶體