光電檢測技術(shù)復(fù)習(xí)課件

光電檢測電路的設(shè)計(jì)要求靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力快速的動態(tài)響應(yīng)能力最佳的信號檢測能力長期工作的穩(wěn)定性和可靠性根據(jù)這些要求，檢測電路的設(shè)計(jì)通常包括的步驟為：

電路靜態(tài)計(jì)算、電路動態(tài)計(jì)算和噪聲估算。光電檢測電路的設(shè)計(jì)要求靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力根據(jù)這些要求，檢測電1光電信號輸入電路的靜態(tài)計(jì)算對于緩慢變化的光信號通常采用直流電路進(jìn)行檢測。直流電路的設(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。光電信號輸入電路的靜態(tài)計(jì)算對于緩慢變化的光信號通常采用直流電2恒流源型器件光信號輸入電路4－4伏安特性的分段折線化和微變等效電路a)折線化一

b)折線化二

c)等效電路恒流源型器件光信號輸入電路4－4伏安特性的分段折線化和微變3折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：

a）轉(zhuǎn)折電壓Uo：對應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)M處的電壓值。

b）初始電導(dǎo)Go：非線性區(qū)近似直線的初始斜率。

c）結(jié)間漏電導(dǎo)G：線性區(qū)內(nèi)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(shè)輸入光功率為P，對應(yīng)的光電流為Ip，則有

S＝Ip/P式中的光功率P可以是光通量Φ，也可以是光照度E。光通量和照度之間的關(guān)系為

Φ＝AE式中，A為光敏面受光面積。折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：4在輸入光通量變化范圍Φmin～Φmax為已知的條件下，用解析法計(jì)算輸入電路的工作狀態(tài)可按下列步驟進(jìn)行。1.確定線性工作區(qū)域在線段MN上有關(guān)系

G0U0＝GU0+SΦmax

由此可解得

U0＝SΦmax/(G0-G)

或G0＝G+SΦmax/U0上式給出了折線化伏安特性四個基本參數(shù)U0、G0、G和S間的關(guān)系。4－5用解析法計(jì)算輸入電路a)確定線性區(qū)

b)計(jì)算輸出信號在輸入光通量變化范圍Φmin～Φmax為已知的條件下，用解析52.計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓為保證最大線性輸出條件，負(fù)載線和與Φmax對應(yīng)的曲線的交點(diǎn)不能低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。設(shè)負(fù)載線通過M點(diǎn)，此時由上圖a中的圖示關(guān)系可得：(Ub-U0)GL＝G0U0當(dāng)已知Ub時，

GL＝G0·U0/(Ub-U0)＝SΦmax/[Ub(1-G/G0)-SΦmax/G0)]

當(dāng)RL＝1/GL已知時，Ub＝SΦmax(GL+G0)/GL(G0-G)2.計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓為保證最大線性輸出條件，63計(jì)算輸出電壓幅度

由上圖b，當(dāng)輸入光通量由Φmin變化到Φmax時，輸出電壓幅度為ΔU＝Umax-U0，其中Umax和U0可由圖中M和H點(diǎn)的電流值計(jì)算得到

在H點(diǎn)：GL(Ub-Umax)=GUmax+SΦmin在M點(diǎn)：GL(Ub-U0)=GU0+SΦmax

解上二式得

Umax＝(GLUb-SΦmin)/(G+GL)

U0＝(GLUb-SΦmax)/(G+GL)

所以

ΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(G+GL)＝S·ΔΦ/(G+GL)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(jié)間漏電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)成反比。3計(jì)算輸出電壓幅度74計(jì)算輸出電流幅度

由上圖b，輸出電流幅度為：

ΔI＝Imax-Imin＝ΔUGL

可得

ΔI＝GLΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(1+G/GL)

通常GL>>G，上式可簡化為

ΔI＝S(Φmax-Φmin)＝SΔΦ5計(jì)算輸出電功率

由功率關(guān)系P=ΔIΔU可得

P＝GL(ΔU)2＝GL[SΔΦ/(G+GL)]24計(jì)算輸出電流幅度8光伏型器體光電信號輸入電路根據(jù)所選負(fù)載電阻的數(shù)值，光電池的工作狀態(tài)可分為以下幾種：（1）短路或線性電流放大：要求：負(fù)載電阻或后續(xù)放大電路的輸入阻抗盡可能小。（2）空載電壓輸出要求：此時光電池應(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。（3）線性電壓輸出這種工作狀態(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)增大到一定的臨界值時，輸出信號開始發(fā)生非線性畸變。

光伏型器體光電信號輸入電路（1）短路或線性電流放大：（2）空9可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計(jì)算恒流偏置：負(fù)載電流與光敏電阻值無關(guān)，近似保持常數(shù)。這種電路稱作恒流偏置電路。

輸出信號電流取決于光敏電阻和負(fù)載電阻的比值，與偏置電壓成正比。恒壓偏置：光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱作恒壓偏置。

恒壓偏置的輸出信號與光敏電阻值無關(guān)，僅取決于電導(dǎo)的相對變化，可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計(jì)算恒流偏置：負(fù)載電流與光敏10光電檢測電路的動態(tài)設(shè)計(jì)

在分析和設(shè)計(jì)交變光信號檢測電路時，需要解決下述幾項(xiàng)動態(tài)計(jì)算問題.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(fù)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?qū)挼念l率響應(yīng)，以能對復(fù)雜的瞬變光信號或周期性光信號進(jìn)行無頻率失真的變換和傳輸。光電檢測電路的動態(tài)設(shè)計(jì)

在分析和設(shè)計(jì)交變光信號檢測電路時，需11輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算1.后續(xù)電路的等效輸入阻抗將和輸入電路的直流負(fù)載電阻并聯(lián)組成檢測器的交流負(fù)載。2.建立直流工作點(diǎn)。利用轉(zhuǎn)折點(diǎn)和偏置電壓或負(fù)載電阻建立直流負(fù)載線。3.確定光功率的變化范圍。4.利用解析法計(jì)算注意：交流負(fù)載線斜率為等效輸入阻抗，直流負(fù)載線斜率為通直流時電路中的負(fù)載電導(dǎo)。輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算12光電二極管交流檢測電路

4－15反向偏置光電二極管交流檢測電路及計(jì)算a)檢測電路

b)圖解法最大功率輸出條件下：GLO=Gb＋G光電二極管交流檢測電路

4－15反向偏置光電二極管交流檢測13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e＝E0＋Emsinωt的形式，光照度的變化范圍為E0±Em。若在信號通頻帶范圍內(nèi)，耦合電容Cc可認(rèn)為是短路，則等效交流負(fù)載電阻是Rb和RL的并聯(lián)。則可建立回路方程為：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14過特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，以（Gb+GL)為斜率，做交流負(fù)載線MN。過特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M的目的是以便能充分利用器件的線性區(qū)間，交流負(fù)載線與光照度E＝E0對應(yīng)的伏安特性相交于Q點(diǎn)，該點(diǎn)對應(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。由圖可知。（已知其中一項(xiàng)，求另一項(xiàng)）過特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，以（Gb+GL)15下面來計(jì)算負(fù)載RL上的輸出電壓和輸出功率值。

負(fù)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(shù)值關(guān)系計(jì)算。若交流負(fù)載線的斜率是GL+Gb，設(shè)交流負(fù)載總電流峰值為Im，則有Um＝Im/(GL+Gb)

下面來計(jì)算負(fù)載RL上的輸出電壓和輸出功率值。16另一方面，在圖中的線段MN上有電流關(guān)系：M點(diǎn):IM=IQ+Im=IMd+IMP=G(UQ-Um)+SE(E0+Em)

N點(diǎn)：IN=IQ-Im=INd+INP=G(UQ+Um)+SE(E0-Em)則，由IM-IN=2Im可得：Im＝SEEm-GUm另一方面，在圖中的線段MN上有電流關(guān)系：17代入上式，有Um＝SEEm/(Gb+GL+G)(4-34)負(fù)載電阻RL上的輸出功率PL為:式中，IL＝Um/RL＝GLUm是負(fù)載RL上的電流峰值，代入（4-34）式，可得：(4-35)代入上式，有18將PL對GL求導(dǎo)數(shù)，令導(dǎo)數(shù)為零，可以得到最大功率輸出下的負(fù)載電阻RL0＝1/GL0，可得

即：將PL對GL求導(dǎo)數(shù)，令導(dǎo)數(shù)為零，可以得到最大功率輸出即19所以可得：GL0=Gb+GRL0＝1/GL0

將所得到的負(fù)載電導(dǎo)代入式（4-34)和（4－35），可得阻抗匹配條件下負(fù)載的輸出電壓峰值Umo、最大輸出功率有效值PLm和輸出電流峰值Imo，為

Umo＝SEEm/2GL0PLm＝(SEEm)2/8GL0＝GL0Umo2/2Im0=2PLm/Um0=SEEm/2所以可得：GL0=Gb+G將所得到的負(fù)載電導(dǎo)代入式（4-3420最大功率輸出條件的直流偏置電阻Rb0和電源電壓Ub可用解析法計(jì)算。靜態(tài)工作點(diǎn)Q的電流值由伏安特性有IQ＝GUQ+SEE0由負(fù)載線有IQ＝(Ub-UQ)Gb求解上二式，有UQ＝(GbUb-SEE0)/(G＋Gb)最大功率輸出條件的直流偏置電阻Rb0和電源電壓Ub21

另一方面，在電壓軸上工作點(diǎn)Q處的電壓UQ為

UQ＝Umo+UM＝SEEm/2(Gb+G)+UM比較前二式可計(jì)算出Gb0或Rb0為

Gb0＝[SE(Em+2E0)+2GUM]/2(Ub-UM)或Rb0=2(Ub-UM)/(SE(Em+2E0)+2GUM)類似地，若Rb0已知則可由上式計(jì)算Ub值。另一方面，在電壓軸上工作點(diǎn)Q處的電壓UQ為22通頻帶ΔF，它是檢測電路上限和下限截止頻率所包括的頻率范圍。ΔF愈大，信號通過能力愈強(qiáng)。圖4－17反向偏置光電二極管檢測電路微變等效電路圖UL＝SEe/(g+GL+Gb+jωCj)τ＝Cj/(g+GL+Gb)稱作檢測電路的時間常數(shù)。上限頻率通頻帶ΔF，它是檢測電路上限和下限截止頻率所圖4－17反向23對應(yīng)檢測電路的不同工作狀態(tài)，頻率特性式可有不同的簡化形式。

1）給定輸入光照度，希望在負(fù)載上取最大功率輸出時，要求滿足：RL＝Rb和g<<Gb此時UL＝(RL/2)·SEe/(1+jωτ)時間常數(shù)τ＝RLCj/2上限頻率fHC＝1/2πτ＝1/πRLCj

對應(yīng)檢測電路的不同工作狀態(tài)，頻率特性式可有不同的簡化形式。24

2）電壓放大時希望在負(fù)載上取得最大電壓輸出，要求滿足RL>>Rb（例如RL≥10Rb）且g<<Gb此時UL＝SEeRb/(1+jωτ)時間常數(shù)τ＝RbCj上限頻率fHC＝1/2πRbCj

3）電流放大時希望在負(fù)載上取得最大電流，要求滿足：RL<<Rb且g很小此時UL＝SEeRL/(1+jωτ)時間常數(shù)τ＝RLCj上限頻率fHC＝1/2πRLCj

2）電壓放大時希望在負(fù)載上取得最大電壓輸出，25由式（4－43）可見，為了從光電二極管中得到足夠的信號功率和電壓，負(fù)載電阻RL和Rb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(fù)載的選擇要根據(jù)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RL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(yīng)，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。由式（4－43）可見，為了從光電二極管中得到足夠的信26熱噪聲電阻噪聲電壓、電流的有效值分別為：例:計(jì)算室溫下1M?電阻，如果檢測電路放大倍數(shù)為1，則在電路通頻帶為Δf=30KHz時輸出的熱噪聲電壓有效值，及通頻帶為Δf=10MHz時輸出的熱噪聲電壓有效值。Δf=30KHzUT=22.3μVΔf=10MHzUT=400μV

熱噪聲電阻噪聲電壓、電流的有效值分別為：例:計(jì)算室溫下1M?27散粒噪聲散粒噪聲的量值不取決于溫度，而由流過器件的平均電流決定。噪聲電流、電壓有效值：q為電子電荷量，IDC為光電流平均值等效處理：將各種器件的噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式。散粒噪聲噪聲電流、電壓有效值：q為電子電荷量，IDC為光電28兩個電阻串、并聯(lián)組成的合成電路，其綜合噪聲電流為：電阻和電容C并聯(lián)情況下，噪聲等效帶寬Δfe＝1/（4RC)并聯(lián)RC電路對噪聲的影響相當(dāng)于使電阻熱噪聲的頻譜分布由白噪聲變窄為等效噪聲帶寬Δfe以光電倍增管為例，介紹光電檢測電路的噪聲估算方法。兩個電阻串、并聯(lián)組成的合成電路，其綜合噪聲電流為：電阻和電容29前置放大器的作用

從檢測器輸出端獲得所需的電信號（能量、時間）；

預(yù)放大檢測器的輸出信號，以獲得較好的信號噪聲比；

進(jìn)行阻抗變換，減少信號傳輸中的干擾。

使能量、時間的測量更加準(zhǔn)確電路設(shè)計(jì)中對前置放大器的要求是：低噪聲、高增益、低輸入阻抗、足夠的信號帶寬和負(fù)載能力、良好的線性和抗干擾能力。前置放大器的作用電路設(shè)計(jì)中對前置放大器的要求是：低噪聲、高30放大器的噪聲模型:En－

In模型——放大器所有噪聲源都折算到輸入端，內(nèi)部無噪聲。等效輸入噪聲EniEn－

In的測量：

(1)放大器輸入端短路，即RS＝0，測得放大器輸出端的噪聲電壓均方根值為，用Au除之，得En

(2)取一個很大的電阻作為源電阻RS，測得放大器輸出端的噪聲電壓均方根值為AuInRs,用AuRs除之，得In放大器的噪聲模型:En－In模型En－In的測量：31噪聲系數(shù)——放大器總的輸出噪聲功率與源電阻在放大器輸出端的噪聲功率之比。噪聲系數(shù)的作用：用來量度放大器所引起的信噪比惡化程度。一個好的放大器應(yīng)該是在源熱噪聲的基礎(chǔ)上盡可能少的增加噪聲，使得噪聲系數(shù)接近為1?；蛘哒f，使放大器的輸出信噪比接近于輸入信噪比。噪聲系數(shù)——放大器總的輸出噪聲功率與源電阻在放大器輸噪聲系數(shù)32噪聲系數(shù)主要用來比較放大器的噪聲性能，不一定是放大器噪聲性能最佳的合適標(biāo)志。如：同一個放大器，源電阻增大，熱噪聲隨著最佳，使得噪聲系數(shù)減少，但放大器本身噪聲性能沒有變。只有在源電阻相同情況下，減少噪聲系數(shù)才有意義。噪聲系數(shù)主要用來比較放大器的噪聲性能，不一定是放大器噪聲性能33噪聲匹配——噪聲系數(shù)與源電阻Rs有關(guān)，并隨著源電阻Rs的熱噪聲增大而減少。當(dāng)源電阻足夠大時，放大器噪聲電流成為主要項(xiàng)，造成噪聲系數(shù)隨著源電阻的增加而增加。對某個源電阻Rs，噪聲系數(shù)存在一個最小值，這時放大器在源熱噪聲的基礎(chǔ)上噪聲減到最小，這時對應(yīng)的源電阻稱為最佳源電阻R0：噪聲匹配——噪聲系數(shù)與源電阻Rs有關(guān)，并隨著源電阻Rs的熱噪34上式表明：當(dāng)源電阻等于放大器噪聲電壓與噪聲電流的比值時，噪聲系數(shù)最小，這個特殊的源電阻稱為最佳源電阻R0，上式就是噪聲匹配條件。得到的噪聲系數(shù)最小值為：注意：不要將噪聲匹配與功率匹配混淆，最佳源電阻不是功率傳輸最大時的電阻，R0和放大器的輸入阻抗沒有直接關(guān)系，而是和放大器的噪聲電壓源En和噪聲電流In有關(guān)上式表明：當(dāng)源電阻等于放大器噪聲電壓與噪聲電流的比值時，噪聲35練習(xí)題：1.已知某光電二極管的靈敏度為0.1μA/μlm，靜態(tài)工作點(diǎn)處輸出電壓為10V，電流為15μA，轉(zhuǎn)折電壓U0為6V,入射光通量0～150μlm，求偏置電壓和負(fù)載電阻，初始電導(dǎo)G0，及入射光通量變化范圍內(nèi)的輸出電壓ΔU及輸出電流ΔI。練習(xí)題：36練習(xí)題：2.設(shè)電源電壓為18伏，UQ＝12V,IQ=14μA的光敏二極管上光從P=15μ

w,變化到25μw，若光通量在此區(qū)間內(nèi)做正弦變化，要使輸出交變電壓的幅值為8V,求所需的負(fù)載電阻RL,結(jié)電導(dǎo)G,初始電導(dǎo)G0練習(xí)題：37練習(xí)題：3.已知某光電二極管的靈敏度為0.5μA/μlm，靜態(tài)工作點(diǎn)處輸出電壓為16V，偏置電壓Ub為40V,入射光通量Φ＝5＋3sinwt(μlm)，結(jié)間電導(dǎo)G＝0.01μs,最大功率輸出條件下，其直流偏置電阻Rb0＝100MΩ.求最大功率輸出條件下負(fù)載電阻，及阻抗匹配條件下負(fù)載的輸出電壓峰值，最大輸出功率有效值，和輸出電流峰值。練習(xí)題：38練習(xí)題：4.已知某光電二極管的入射光通量Φ＝5＋3sinwt(μlm)

，轉(zhuǎn)折電壓UM為10V,結(jié)間電導(dǎo)G＝0.01μs,最大功率輸出條件下，負(fù)載的輸出電壓峰值為6V，最大輸出功率有效值為2.5μW.求二極管的靈敏度，最大功率輸出條件下偏置電阻，阻抗匹配條件下負(fù)載的輸出電流峰值及靜態(tài)工作點(diǎn)處的電流值與電壓值及電路的電源電壓電壓。練習(xí)題：395.光電導(dǎo)器件響應(yīng)受哪些因素限制？光伏器件與光電導(dǎo)器件工作頻率哪個更高？實(shí)際使用時如何改善其工作頻率響應(yīng)？答：光電導(dǎo)器件響應(yīng)時間受半導(dǎo)體材料光生載流子的平均壽命，入射光的照度，以及外電路中所加電壓，負(fù)載電阻等影響時間的常數(shù)等的限制。多數(shù)光電導(dǎo)器件在0～1MHZ的頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng)。實(shí)際使用中可以盡量提高使用照明度，降低所加電壓，施加適當(dāng)偏置光照等都可以改善其頻率響應(yīng)。而對于光伏器件來說，其響應(yīng)時間主要取決于：光生載流子擴(kuò)散至結(jié)區(qū)的時間，光生載流子在電場作用下通過結(jié)區(qū)的漂移時間以及由結(jié)電容和負(fù)載電阻決定的時間常數(shù)。經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的硅光伏二極管可以工作與幾百兆赫茲的工作頻率，甚至更高。一般在制造工藝上器件光敏面做的很薄，結(jié)面積很小，盡可能提高反向偏置電壓，減小負(fù)載電阻等，都可以減少時間常數(shù)，使其工作頻率更高。5.光電導(dǎo)器件響應(yīng)受哪些因素限制？光伏器件與光電導(dǎo)器件工作頻4010.簡述光電耦合器件的工作原理及特點(diǎn)。發(fā)光器件與光接受器件封裝一體，但不接觸，有很強(qiáng)的電氣絕緣性，信號通過光傳輸。發(fā)光器件：ＬＥＤ，ＬＤ，燈等光接受器件：光電二極管／三極管，光電 池，光敏電阻。特點(diǎn)：具有電隔離（１０１０－１０１２歐姆）功能；信號傳輸單向（脈沖或直流），適用于模擬／數(shù)字信號；具有抗干擾和噪聲能力；響應(yīng)速度快（微／納秒，直流－１０兆赫茲），體積小，壽命長，使用方便；既有耦合特性，又有隔離功能；10.簡述光電耦合器件的工作原理及特點(diǎn)。發(fā)光器件與光接受器件4121.為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓作用下才能發(fā)光？反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？發(fā)光二極管是由P型和N型半導(dǎo)體組成的二極管。N型材料中的多數(shù)載流子是電子，P型材料中的多數(shù)載流子是空穴。當(dāng)加上正向偏壓時，在外電場作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴的復(fù)合。一個電子和一個空穴每一次復(fù)合，將釋放出與材料性質(zhì)有關(guān)的復(fù)合能量，這個能量會以熱能、光能、或部分熱能和部分光能的形式輻射出來。二極管的特性是單向并且是正向?qū)ǖ模聪螂娮韬艽?，近似截止。發(fā)光二極管特性與普通二極管相同，只能正向?qū)òl(fā)光。反向電阻很大，近似截止，當(dāng)電壓足夠大時，就會發(fā)生反向擊穿，所以反向偏置的發(fā)光二極管不能發(fā)光21.為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓作用下才能發(fā)光？反向偏置42復(fù)習(xí)提綱1.光電檢測方法分類，各方法測量原理。P7-10。2.光伏效應(yīng)器件與光電導(dǎo)效應(yīng)器件各自優(yōu)缺點(diǎn)和產(chǎn)生相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)原因。P13-15.3.亮電阻和暗電阻概念，光敏電阻的變化對輸出的影響。4.光電二極管和光電三極管的工作原理，光電倍增管和光電耦合器的工作原理和特點(diǎn)。恒流源光電器件有哪些？5.光電信號輸入電路的靜態(tài)和動態(tài)分析，P72-77，P85-87.6.光電檢測電路中引起高頻和低頻衰減的原因，電路頻率特性的設(shè)計(jì)。復(fù)習(xí)提綱1.光電檢測方法分類，各方法測量原理。437、噪聲分類，各噪聲形成的原因；放大器等效輸入噪聲定義，最佳源電阻的定義，噪聲匹配的條件和實(shí)現(xiàn)方法；前置放大器的作用和電路對前置放大器的要求。8.光電直接檢測系統(tǒng)的概念，噪聲源類型，量子測量極限的含義，視場角確定原則；光電直接檢測系統(tǒng)的類型及其工作原理，如莫爾條紋測長儀和激光測距儀的原理。7、噪聲分類，各噪聲形成的原因；放大器等效輸入噪聲定義，最佳44光電檢測電路的設(shè)計(jì)要求靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力快速的動態(tài)響應(yīng)能力最佳的信號檢測能力長期工作的穩(wěn)定性和可靠性根據(jù)這些要求，檢測電路的設(shè)計(jì)通常包括的步驟為：

電路靜態(tài)計(jì)算、電路動態(tài)計(jì)算和噪聲估算。光電檢測電路的設(shè)計(jì)要求靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力根據(jù)這些要求，檢測電45光電信號輸入電路的靜態(tài)計(jì)算對于緩慢變化的光信號通常采用直流電路進(jìn)行檢測。直流電路的設(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。光電信號輸入電路的靜態(tài)計(jì)算對于緩慢變化的光信號通常采用直流電46恒流源型器件光信號輸入電路4－4伏安特性的分段折線化和微變等效電路a)折線化一

b)折線化二

c)等效電路恒流源型器件光信號輸入電路4－4伏安特性的分段折線化和微變47折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：

a）轉(zhuǎn)折電壓Uo：對應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)M處的電壓值。

b）初始電導(dǎo)Go：非線性區(qū)近似直線的初始斜率。

c）結(jié)間漏電導(dǎo)G：線性區(qū)內(nèi)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(shè)輸入光功率為P，對應(yīng)的光電流為Ip，則有

S＝Ip/P式中的光功率P可以是光通量Φ，也可以是光照度E。光通量和照度之間的關(guān)系為

Φ＝AE式中，A為光敏面受光面積。折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：48在輸入光通量變化范圍Φmin～Φmax為已知的條件下，用解析法計(jì)算輸入電路的工作狀態(tài)可按下列步驟進(jìn)行。1.確定線性工作區(qū)域在線段MN上有關(guān)系

G0U0＝GU0+SΦmax

由此可解得

U0＝SΦmax/(G0-G)

或G0＝G+SΦmax/U0上式給出了折線化伏安特性四個基本參數(shù)U0、G0、G和S間的關(guān)系。4－5用解析法計(jì)算輸入電路a)確定線性區(qū)

b)計(jì)算輸出信號在輸入光通量變化范圍Φmin～Φmax為已知的條件下，用解析492.計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓為保證最大線性輸出條件，負(fù)載線和與Φmax對應(yīng)的曲線的交點(diǎn)不能低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。設(shè)負(fù)載線通過M點(diǎn)，此時由上圖a中的圖示關(guān)系可得：(Ub-U0)GL＝G0U0當(dāng)已知Ub時，

GL＝G0·U0/(Ub-U0)＝SΦmax/[Ub(1-G/G0)-SΦmax/G0)]

當(dāng)RL＝1/GL已知時，Ub＝SΦmax(GL+G0)/GL(G0-G)2.計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓為保證最大線性輸出條件，503計(jì)算輸出電壓幅度

由上圖b，當(dāng)輸入光通量由Φmin變化到Φmax時，輸出電壓幅度為ΔU＝Umax-U0，其中Umax和U0可由圖中M和H點(diǎn)的電流值計(jì)算得到

在H點(diǎn)：GL(Ub-Umax)=GUmax+SΦmin在M點(diǎn)：GL(Ub-U0)=GU0+SΦmax

解上二式得

Umax＝(GLUb-SΦmin)/(G+GL)

U0＝(GLUb-SΦmax)/(G+GL)

所以

ΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(G+GL)＝S·ΔΦ/(G+GL)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(jié)間漏電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)成反比。3計(jì)算輸出電壓幅度514計(jì)算輸出電流幅度

由上圖b，輸出電流幅度為：

ΔI＝Imax-Imin＝ΔUGL

可得

ΔI＝GLΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(1+G/GL)

通常GL>>G，上式可簡化為

ΔI＝S(Φmax-Φmin)＝SΔΦ5計(jì)算輸出電功率

由功率關(guān)系P=ΔIΔU可得

P＝GL(ΔU)2＝GL[SΔΦ/(G+GL)]24計(jì)算輸出電流幅度52光伏型器體光電信號輸入電路根據(jù)所選負(fù)載電阻的數(shù)值，光電池的工作狀態(tài)可分為以下幾種：（1）短路或線性電流放大：要求：負(fù)載電阻或后續(xù)放大電路的輸入阻抗盡可能小。（2）空載電壓輸出要求：此時光電池應(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。（3）線性電壓輸出這種工作狀態(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)增大到一定的臨界值時，輸出信號開始發(fā)生非線性畸變。

光伏型器體光電信號輸入電路（1）短路或線性電流放大：（2）空53可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計(jì)算恒流偏置：負(fù)載電流與光敏電阻值無關(guān)，近似保持常數(shù)。這種電路稱作恒流偏置電路。

輸出信號電流取決于光敏電阻和負(fù)載電阻的比值，與偏置電壓成正比。恒壓偏置：光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱作恒壓偏置。

恒壓偏置的輸出信號與光敏電阻值無關(guān)，僅取決于電導(dǎo)的相對變化，可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計(jì)算恒流偏置：負(fù)載電流與光敏54光電檢測電路的動態(tài)設(shè)計(jì)

在分析和設(shè)計(jì)交變光信號檢測電路時，需要解決下述幾項(xiàng)動態(tài)計(jì)算問題.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(fù)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?qū)挼念l率響應(yīng)，以能對復(fù)雜的瞬變光信號或周期性光信號進(jìn)行無頻率失真的變換和傳輸。光電檢測電路的動態(tài)設(shè)計(jì)

在分析和設(shè)計(jì)交變光信號檢測電路時，需55輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算1.后續(xù)電路的等效輸入阻抗將和輸入電路的直流負(fù)載電阻并聯(lián)組成檢測器的交流負(fù)載。2.建立直流工作點(diǎn)。利用轉(zhuǎn)折點(diǎn)和偏置電壓或負(fù)載電阻建立直流負(fù)載線。3.確定光功率的變化范圍。4.利用解析法計(jì)算注意：交流負(fù)載線斜率為等效輸入阻抗，直流負(fù)載線斜率為通直流時電路中的負(fù)載電導(dǎo)。輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算56光電二極管交流檢測電路

4－15反向偏置光電二極管交流檢測電路及計(jì)算a)檢測電路

b)圖解法最大功率輸出條件下：GLO=Gb＋G光電二極管交流檢測電路

4－15反向偏置光電二極管交流檢測57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e＝E0＋Emsinωt的形式，光照度的變化范圍為E0±Em。若在信號通頻帶范圍內(nèi)，耦合電容Cc可認(rèn)為是短路，則等效交流負(fù)載電阻是Rb和RL的并聯(lián)。則可建立回路方程為：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58過特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，以（Gb+GL)為斜率，做交流負(fù)載線MN。過特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M的目的是以便能充分利用器件的線性區(qū)間，交流負(fù)載線與光照度E＝E0對應(yīng)的伏安特性相交于Q點(diǎn)，該點(diǎn)對應(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。由圖可知。（已知其中一項(xiàng)，求另一項(xiàng)）過特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，以（Gb+GL)59下面來計(jì)算負(fù)載RL上的輸出電壓和輸出功率值。

負(fù)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(shù)值關(guān)系計(jì)算。若交流負(fù)載線的斜率是GL+Gb，設(shè)交流負(fù)載總電流峰值為Im，則有Um＝Im/(GL+Gb)

下面來計(jì)算負(fù)載RL上的輸出電壓和輸出功率值。60另一方面，在圖中的線段MN上有電流關(guān)系：M點(diǎn):IM=IQ+Im=IMd+IMP=G(UQ-Um)+SE(E0+Em)

N點(diǎn)：IN=IQ-Im=INd+INP=G(UQ+Um)+SE(E0-Em)則，由IM-IN=2Im可得：Im＝SEEm-GUm另一方面，在圖中的線段MN上有電流關(guān)系：61代入上式，有Um＝SEEm/(Gb+GL+G)(4-34)負(fù)載電阻RL上的輸出功率PL為:式中，IL＝Um/RL＝GLUm是負(fù)載RL上的電流峰值，代入（4-34）式，可得：(4-35)代入上式，有62將PL對GL求導(dǎo)數(shù)，令導(dǎo)數(shù)為零，可以得到最大功率輸出下的負(fù)載電阻RL0＝1/GL0，可得

即：將PL對GL求導(dǎo)數(shù)，令導(dǎo)數(shù)為零，可以得到最大功率輸出即63所以可得：GL0=Gb+GRL0＝1/GL0

將所得到的負(fù)載電導(dǎo)代入式（4-34)和（4－35），可得阻抗匹配條件下負(fù)載的輸出電壓峰值Umo、最大輸出功率有效值PLm和輸出電流峰值Imo，為

Umo＝SEEm/2GL0PLm＝(SEEm)2/8GL0＝GL0Umo2/2Im0=2PLm/Um0=SEEm/2所以可得：GL0=Gb+G將所得到的負(fù)載電導(dǎo)代入式（4-3464最大功率輸出條件的直流偏置電阻Rb0和電源電壓Ub可用解析法計(jì)算。靜態(tài)工作點(diǎn)Q的電流值由伏安特性有IQ＝GUQ+SEE0由負(fù)載線有IQ＝(Ub-UQ)Gb求解上二式，有UQ＝(GbUb-SEE0)/(G＋Gb)最大功率輸出條件的直流偏置電阻Rb0和電源電壓Ub65

另一方面，在電壓軸上工作點(diǎn)Q處的電壓UQ為

UQ＝Umo+UM＝SEEm/2(Gb+G)+UM比較前二式可計(jì)算出Gb0或Rb0為

Gb0＝[SE(Em+2E0)+2GUM]/2(Ub-UM)或Rb0=2(Ub-UM)/(SE(Em+2E0)+2GUM)類似地，若Rb0已知則可由上式計(jì)算Ub值。另一方面，在電壓軸上工作點(diǎn)Q處的電壓UQ為66通頻帶ΔF，它是檢測電路上限和下限截止頻率所包括的頻率范圍。ΔF愈大，信號通過能力愈強(qiáng)。圖4－17反向偏置光電二極管檢測電路微變等效電路圖UL＝SEe/(g+GL+Gb+jωCj)τ＝Cj/(g+GL+Gb)稱作檢測電路的時間常數(shù)。上限頻率通頻帶ΔF，它是檢測電路上限和下限截止頻率所圖4－17反向67對應(yīng)檢測電路的不同工作狀態(tài)，頻率特性式可有不同的簡化形式。

1）給定輸入光照度，希望在負(fù)載上取最大功率輸出時，要求滿足：RL＝Rb和g<<Gb此時UL＝(RL/2)·SEe/(1+jωτ)時間常數(shù)τ＝RLCj/2上限頻率fHC＝1/2πτ＝1/πRLCj

對應(yīng)檢測電路的不同工作狀態(tài)，頻率特性式可有不同的簡化形式。68

2）電壓放大時希望在負(fù)載上取得最大電壓輸出，要求滿足RL>>Rb（例如RL≥10Rb）且g<<Gb此時UL＝SEeRb/(1+jωτ)時間常數(shù)τ＝RbCj上限頻率fHC＝1/2πRbCj

3）電流放大時希望在負(fù)載上取得最大電流，要求滿足：RL<<Rb且g很小此時UL＝SEeRL/(1+jωτ)時間常數(shù)τ＝RLCj上限頻率fHC＝1/2πRLCj

2）電壓放大時希望在負(fù)載上取得最大電壓輸出，69由式（4－43）可見，為了從光電二極管中得到足夠的信號功率和電壓，負(fù)載電阻RL和Rb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(fù)載的選擇要根據(jù)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RL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(yīng)，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。由式（4－43）可見，為了從光電二極管中得到足夠的信70熱噪聲電阻噪聲電壓、電流的有效值分別為：例:計(jì)算室溫下1M?電阻，如果檢測電路放大倍數(shù)為1，則在電路通頻帶為Δf=30KHz時輸出的熱噪聲電壓有效值，及通頻帶為Δf=10MHz時輸出的熱噪聲電壓有效值。Δf=30KHzUT=22.3μVΔf=10MHzUT=400μV

熱噪聲電阻噪聲電壓、電流的有效值分別為：例:計(jì)算室溫下1M?71散粒噪聲散粒噪聲的量值不取決于溫度，而由流過器件的平均電流決定。噪聲電流、電壓有效值：q為電子電荷量，IDC為光電流平均值等效處理：將各種器件的噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式。散粒噪聲噪聲電流、電壓有效值：q為電子電荷量，IDC為光電72兩個電阻串、并聯(lián)組成的合成電路，其綜合噪聲電流為：電阻和電容C并聯(lián)情況下，噪聲等效帶寬Δfe＝1/（4RC)并聯(lián)RC電路對噪聲的影響相當(dāng)于使電阻熱噪聲的頻譜分布由白噪聲變窄為等效噪聲帶寬Δfe以光電倍增管為例，介紹光電檢測電路的噪聲估算方法。兩個電阻串、并聯(lián)組成的合成電路，其綜合噪聲電流為：電阻和電容73前置放大器的作用

從檢測器輸出端獲得所需的電信號（能量、時間）；

預(yù)放大檢測器的輸出信號，以獲得較好的信號噪聲比；

進(jìn)行阻抗變換，減少信號傳輸中的干擾。

使能量、時間的測量更加準(zhǔn)確電路設(shè)計(jì)中對前置放大器的要求是：低噪聲、高增益、低輸入阻抗、足夠的信號帶寬和負(fù)載能力、良好的線性和抗干擾能力。前置放大器的作用電路設(shè)計(jì)中對前置放大器的要求是：低噪聲、高74放大器的噪聲模型:En－

In模型——放大器所有噪聲源都折算到輸入端，內(nèi)部無噪聲。等效輸入噪聲EniEn－

In的測量：

(1)放大器輸入端短路，即RS＝0，測得放大器輸出端的噪聲電壓均方根值為，用Au除之，得En

(2)取一個很大的電阻作為源電阻RS，測得放大器輸出端的噪聲電壓均方根值為AuInRs,用AuRs除之，得In放大器的噪聲模型:En－In模型En－In的測量：75噪聲系數(shù)——放大器總的輸出噪聲功率與源電阻在放大器輸出端的噪聲功率之比。噪聲系數(shù)的作用：用來量度放大器所引起的信噪比惡化程度。一個好的放大器應(yīng)該是在源熱噪聲的基礎(chǔ)上盡可能少的增加噪聲，使得噪聲系數(shù)接近為1?；蛘哒f，使放大器的輸出信噪比接近于輸入信噪比。噪聲系數(shù)——放大器總的輸出噪聲功率與源電阻在放大器輸噪聲系數(shù)76噪聲系數(shù)主要用來比較放大器的噪聲性能，不一定是放大器噪聲性能最佳的合適標(biāo)志。如：同一個放大器，源電阻增大，熱噪聲隨著最佳，使得噪聲系數(shù)減少，但放大器本身噪聲性能沒有變。只有在源電阻相同情況下，減少噪聲系數(shù)才有意義。噪聲系數(shù)主要用來比較放大器的噪聲性能，不一定是放大器噪聲性能77噪聲匹配——噪聲系數(shù)與源電阻Rs有關(guān)，并隨著源電阻Rs的熱噪聲增大而減少。當(dāng)源電阻足夠大時，放大器噪聲電流成為主要項(xiàng)，造成噪聲系數(shù)隨著源電阻的增加而增加。對某個源電阻Rs，噪聲系數(shù)存在一個最小值，這時放大器在源熱噪聲的基礎(chǔ)上噪聲減到最小，這時對應(yīng)的源電阻稱為最佳源電阻R0：噪聲匹配——噪聲系數(shù)與源電阻Rs有關(guān)，并隨著源電阻Rs的熱噪78上式表明：當(dāng)源電阻等于放大器噪聲電壓與噪聲電流的比值時，噪聲系數(shù)最小，這個特殊的源電阻稱為最佳源電阻R0，上式就是噪聲匹配條件。得到的噪聲系數(shù)最小值為：注意：不要將噪聲匹配與功率匹配混淆，最佳源電阻不是功率傳輸最大時的電阻，R0和放大器的輸入阻抗沒有直接關(guān)系，而是和放大器的噪聲電壓源En和噪聲電流In有關(guān)上式表明：當(dāng)源電阻等于放大器噪聲電壓與噪聲電流的比值時，噪聲79練習(xí)題：1.已知某光電二極管的靈敏度為0.1μA/μlm，靜態(tài)工作點(diǎn)處輸出電壓為10V，電流為15μA，轉(zhuǎn)折電壓U0為6V,入