光電檢測電路的設計

光電檢測電路的設計第一頁，共八十九頁，2022年，8月28日輸入電路的設計應根據(jù)電信號的性質(zhì)、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(shù)要求來確定電路的連接形式和工作參數(shù)，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(shù)要求：

1）靈敏的光電轉(zhuǎn)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(shù)，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?qū)λ沧冃盘柕目焖夙憫?/p>

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(jù)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。第二頁，共八十九頁，2022年，8月28日一、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(nèi)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。第三頁，共八十九頁，2022年，8月28日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(zhì)至關(guān)重要，是系統(tǒng)設計的一個重要問題。第四頁，共八十九頁，2022年，8月28日為了提高傳輸效率，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(shù)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(shù)來實現(xiàn)的，這要涉及到工程光學的內(nèi)容。而光電檢測器件和電路的匹配則應根據(jù)選定的光電檢測器件的參數(shù)，通過正確選擇和設計電路來完成。第五頁，共八十九頁，2022年，8月28日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(jīng)測試目標、傳輸介質(zhì)、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Φ(λ)作用下、探測器的復合輸出I(λ)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(nèi)的積分值確定的，即

——探測器對波長λ的電流靈敏度第六頁，共八十九頁，2022年，8月28日在輻射源和探測器之間存在選擇性衰減環(huán)節(jié)（如介質(zhì)傳輸、光學系統(tǒng)和濾光器）時探測器的有效輸出為

式中，Φo(λ)是由輻射源發(fā)出的復合光通量，、分別是傳輸介質(zhì)、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第七頁，共八十九頁，2022年，8月28日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LED

4-GaAsP型LED5-雙波段LED

6-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(shù)

7-CdS光敏電阻第八頁，共八十九頁，2022年，8月28日2）探測器的光電轉(zhuǎn)換特性和入射輻射能量的大小相匹配

根據(jù)光電系統(tǒng)輻射源的發(fā)光強度、傳輸介質(zhì)和目標的傳輸及調(diào)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：

①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。

②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。

③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(nèi)，以確保獲得良好的線性檢測。第九頁，共八十九頁，2022年，8月28日典型光電檢測器件的探測率比較曲線第十頁，共八十九頁，2022年，8月28日

3）使檢測器件和光信號的調(diào)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(shù)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(zhuǎn)換系數(shù)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(jù)待設計系統(tǒng)的要求和條件優(yōu)先選定。第十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日幾種典型光電檢測器件特性參數(shù)的定性比較第十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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(jù)入射光信號的性質(zhì)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(shù)，在保證信號不失真的情況下獲得最大的光電轉(zhuǎn)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(jù)器件伏安特性的性質(zhì)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。第十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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Φ為參量的曲線組。在工作電壓較小的范圍內(nèi)曲線呈彎曲的趨勢，并且有一轉(zhuǎn)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(zhì)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)光電三極管第十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日圖解計算法

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Φ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)圖解法計算第十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日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(shù)。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Φo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Φo改變+ΔΦ（或-ΔΦ）時，在負載電阻RL上會產(chǎn)生-ΔU（或+ΔU）的電壓信號輸出和+ΔI（或-ΔI）的電流信號輸出。第十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日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(guān)的情況下可以借助圖解法合理地選擇電路參數(shù)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Φo±ΔΦ，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(zhuǎn)折點M進入非線性區(qū)，而在這個范圍內(nèi)光電靈敏度S=Δl/ΔΦ不再是常數(shù)，這會使輸出信號的波形發(fā)生畸變。第十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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(jù)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(zhuǎn)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)偏置電壓的影響第十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日解析計算法

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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。第十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：

a）轉(zhuǎn)折電壓：對應于曲線轉(zhuǎn)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(jié)間漏電導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——光敏面受光面積。第二十頁，共八十九頁，2022年，8月28日利用折線化的伏安特性，可將線性區(qū)內(nèi)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(jié)間漏電導形成的無光照電流（暗電流）Id和與端電壓無關(guān)僅取決于輸入光功率的光電流Ip。因此，在線性區(qū)內(nèi)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(shù)。第二十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日在輸入光通量變化范圍Φmin～Φmax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Φmax的伏安曲線彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點M。相應的轉(zhuǎn)折電壓或初始電導值可由圖a中圖示關(guān)系決定。在線段MN上有關(guān)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(shù)、、G和S間的關(guān)系。用解析法計算輸入電路a)確定線性區(qū)

b)計算輸出信號第二十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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Φmax對應的伏安曲線的交點不能低于轉(zhuǎn)折點M。設負載線通過M點，此時由右圖a中的圖示關(guān)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)計算輸出信號第二十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日3）計算輸出電壓幅度

由圖b，當輸入光通量由Φmin變化到Φmax時，輸出電壓幅度為ΔU＝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(jié)間漏電導和負載電導成反比。第二十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日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(guān)系P=ΔIΔU可得

第二十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日1.試述聲光偏轉(zhuǎn)器的工作原理。2.p163第10題第二十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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(zhì)，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

第二十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日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(zhuǎn)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(jù)前述的表達式和相應的伏安曲線以及電路方程進行。第二十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日其中上圖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。第二十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日利用圖解計算法，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±ΔΦ將形成對應的電流變化±ΔI和電壓變化±ΔU。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，有和下面以光電池為例介紹無偏置電路的靜態(tài)計算方法。第三十頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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ΔΦ＝Φ1-Φ2，在短路狀態(tài)下（RL＝0），輸出電流增量ΔI＝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）。第三十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日

根據(jù)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Rs，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）?？梢远康孛枋鲐撦d電阻和入射光通量對電路工作狀態(tài)（I、U、P）的影響：第三十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日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(guān)系，即

由圖b可見，根據(jù)選用負載電阻的數(shù)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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示。下面討論前三種工作狀態(tài)第三十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日此外，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

第三十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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(shù)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(shù)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Φ）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Φ′）下的開路電壓Uoc′。由上式，有第三十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日聯(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(guān)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。

第三十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日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Ⅲ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(shù)項不能忽略。將上式展開成冪級數(shù)，忽略高階項，上式可簡化為

I≈SΦ

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(guān)系。負載電阻對光電池輸出電壓電流和功率的影響第三十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日令最大線性允許光電流為Is，相應的光通量為Φs，則可得到輸出最大線性電壓的臨界負載電阻Rs為

Rs<</Is＝26mV/SΦs

對于交變信號情況，對應Φmax±ΔΦ的輸入光強變化，負載上的電壓信號為

在線性關(guān)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(shù)0.6是經(jīng)驗數(shù)據(jù)。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

第三十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日所以，Rs值可近似計算為

式中，Uoc是對應Φmax時的值，對應的輸出電壓的變化為

第三十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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(nèi)光敏電阻阻值不隨外電壓改變，僅取決于輸入光通量Φ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，α為電阻溫度系數(shù)，T為溫度。

當溫度變化ΔT時，電阻的變化量為

第四十頁，共八十九頁，2022年，8月28日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ΔR而引起負載電流的變化ΔI，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)圖解法第四十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日

上兩式給出了由于輸出光通量的變化ΔΦ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(guān)，近似保持常數(shù)。這種電路稱作恒流偏置電路。隨輸入光通量ΔΦ的變化，負載電流的變化ΔI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。第四十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日

(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SΔΦ=ΔG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(guān)，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。第四十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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(diào)節(jié)補償電阻，使電橋平衡。此時

熱敏電阻電橋電路

第四十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日電橋輸出信號為Uo＝0。當有輻射作用于熱敏電阻上時，溫升ΔT引起電阻的改變?yōu)?/p>

式中，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ΔR<<+，?。剑絉和＝＝，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ΔR成比例，并與負載電阻R有關(guān)。令dUo/dR＝0，可計算當R＝時Uo取最大值為

熱敏電阻電橋電路

第四十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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(shù)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(shù)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)阻抗變換型第四十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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(shù)，是反饋電阻。

當A＝，＝100kΩ時，＝10Ω?？梢哉J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。第四十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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1MΩ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(shù)。第四十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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(zhì)，內(nèi)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。第四十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日電路的輸入電壓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＝1MΩ，＝10MΩ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(shù)。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。第五十頁，共八十九頁，2022年，8月28日二、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(diào)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?qū)挼念l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。第五十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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(jīng)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?，F(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。第五十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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(nèi)，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(zhuǎn)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)圖解法第五十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日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(shù)值關(guān)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

第五十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日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

第五十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日另一方面，在電壓軸上工作點Q處的電壓為

比較前二式可計算出或為

類似地，若已知則可由上式計算值。第五十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日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(shù)值可計算為

第五十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日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(shù)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(jīng)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(nèi)進行，可以獲得有關(guān)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(shù)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。第五十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日

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(guān)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(diào)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(guān)，而且主要取決于電路的形式和阻容參數(shù)，需要進行合理的設計才能充分發(fā)揮器件的固有性質(zhì)，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(shù)是通道的通頻帶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。

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(jù)被測信號的技術(shù)要求設計檢測電路的實例。第五十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日

1)．光電檢測電路的高頻特性

除熱釋電探測器件外，大多數(shù)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(jié)電容Cj的作用必須考慮。列出該電路的電路方程為第六十頁，共八十九頁，2022年，8月28日式中，是輸入光照度，是負載電流，是偏置電流，是結(jié)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(shù)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(shù)。由上式可見檢測電路的頻率特性不僅與光電二極管參數(shù)和g有關(guān)，而且取決于放大電路的參數(shù)和。第六十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日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(shù)上限頻率第六十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日(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(shù)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(shù)上限頻率第六十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日可見，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(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。第六十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日P164，第11題第六十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日2)．光電檢測電路的綜合頻率特性前面的討論為了強調(diào)說明負載電阻對頻率特性的影響，忽略了線路中隔直電容和分布電容等的影響，而這些參數(shù)是確定電路通頻帶的重要因素。下面介紹檢測電路的綜合頻率特性。圖中是電路的布線電容，是放大器的輸入電容，Cc是級間耦合電容。輸入電路的頻率特性可寫成式中

光電二極管交流檢測電路及其等效電路和對數(shù)頻率特性a)檢測電路

b)等效電路

c)對數(shù)頻率特性第六十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日當時，有

光電二極管交流檢測電路及其等效電路和對數(shù)頻率特性a)檢測電路

b)等效電路

c)對數(shù)頻率特性第六十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日輸入電路的振幅頻率特性|W(jω)|可表示成將上式用對數(shù)表示時，可以得到對數(shù)頻率特性

上式的圖解表示在圖c中，圖中的虛線表示實際的對數(shù)特性，折線是規(guī)整化的特性。由圖中可以看到綜合對數(shù)頻率特性可分為三個頻段：

（1）中頻段（）此頻段的中心頻率為，頻段滿足和，相應的頻率特性為第六十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日這表明在中頻段范圍內(nèi)輸入電路可看作是理想的比例環(huán)節(jié)。通常將到之間的頻率區(qū)間稱作電路的通頻帶，它的傳遞系數(shù)為。(2)高頻段（）

在此頻段內(nèi)，頻率特性可簡化為

對應的對數(shù)頻率特性曲線以-20dB/(10倍頻)的斜率下降，在處曲線下降3dB，該頻率稱作高頻或上限截止頻率。高頻衰減的物理原因是電路中各電容給出的容抗，和隨ω的增加而減少，電容分流作用的加大使輸出信號變小。第六十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日(3)低頻段（）

此頻段內(nèi)的頻率特性可簡化為

相應的對數(shù)頻率特性曲線以20dB/(10倍頻)的斜率上升，在處曲線轉(zhuǎn)平，曲線數(shù)值比中頻段下降3dB，稱作低頻或下限截止頻率，這是檢測電路可能檢測的低頻信號的極限。頻率特性的低頻衰減主要是因為串聯(lián)耦合電容Cc的容抗隨ω的減少而增大，信號在電容上壓降的提高使輸出信號變小的緣故。第七十頁，共八十九頁，2022年，8月28日

3)．光電檢測電路頻率特性的設計

光電檢測電路設計的基本要求是在保證所需檢測靈敏度的前提下獲得最好的線性不失真和頻率不失真。前者是靜態(tài)設計的基本內(nèi)容，后者是檢測電路頻率特性設計需要解決的問題。

通常，快速變化的信號可以看作是若干不同諧波分量的疊加。信號的頻率失真會使某些諧波分量的幅度和位相發(fā)生變化導致合成波形的畸變。因此，為避免頻率失真，保證信號的全部頻譜分量不產(chǎn)生非均勻的幅度衰減和附加的相位變化，檢測電路的通頻帶應以足夠的寬裕度覆蓋住光信號的頻譜分布。

檢測電路頻率特性的設計大體包括下列的三個基本內(nèi)容：1）對輸入光信號進行傅里葉頻譜分析，確定信號的頻率分布。2）確定多級光電檢測電路的允許通頻帶寬和上限截止頻率。3）根據(jù)級聯(lián)系統(tǒng)的帶寬計算方法，確定單級檢測電路的阻容參數(shù)。第七十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日下面通過例子介紹頻率特性設計方法的梗概。例：用2DU1型光電二極管和兩極相同的放大器組成光電檢測電路。被測光信號的波形如圖a所示，脈沖重復頻率f=200kHz，脈寬，脈沖幅度1V，設光電二極管的結(jié)電容輸入電路的分布電容，設計該電路的阻容參數(shù)。光電檢測電路a)信號波形

b)信號頻譜

c)電路形式第七十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日解：①分析光信號頻譜，確定檢測電路的總頻帶寬度

根據(jù)傅里葉變換函數(shù)表，對應如圖a的時序信號波形，可以得到如圖b所示的頻譜分布圖。周期為T＝1/f的方波脈沖時序信號，其頻譜是離散的，譜線的頻率間隔為Δf＝1/T＝200kHz頻譜包絡線零值點的分布間隔為

選取頻譜包絡線的第二峰值作為信號的高頻截止頻率，如圖所示對應幅頻第二波峰包含15個諧波成份，高頻截止頻率取為

此時可認為是不失真?zhèn)鬏?。第七十三頁，共八十九頁?022年，8月28日頻譜的零頻分量確定信號的直流成份，不影響變化的波形。但為采用交流放大可利用阻容耦合電路隔直。取低頻截止頻率為200Hz，則檢測放大器的總頻帶寬為，帶寬近似為ΔF≈3MHz。②確定級聯(lián)各級電路的頻帶寬

根據(jù)設計要求，檢測電路由輸入電路和兩級相同的放大器串聯(lián)組成。設三級帶寬相同，根據(jù)電子學中系統(tǒng)頻帶寬的計算公式，相同n級級聯(lián)放大器的高頻截止頻率為

式中，是單級高頻截止頻率。將和n＝3代入上式，可算出單級高頻截止頻率

第七十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日

類似地，單級低頻截止頻率和多級低頻截止頻率之間有下列關(guān)系

對于，可據(jù)此計算出

③計算輸入電路參數(shù)

帶寬為6MHz的輸入電路宜采用電流放大方式，此時可計算出

選為2kΩ，此處為后級放大器的輸入阻抗，為保證，取，即。

耦合電容C值是由低頻截止頻率決定的。有

將代入上式，計算為C＝0.07μF，取為C＝1μF，對于第一級耦合電容可適當增大10倍，取電容值為1μF。第七十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日④選擇放大電路

選用二級通用的寬帶運算放大器，放大器輸入阻抗小于2kΩ，放大器通頻帶要求為6MHz，取為10MHz。

按前述估算得到的檢測電路如圖c所示。圖中，輸入電路的直流電源電壓50V，低于2DU1型光電二極管的最大反向電壓。并聯(lián)的500μF電容用以濾除電源的波動。為減少電解電容寄生電感的影響，并聯(lián)了＝200pF的電容。第七十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日三、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(nèi)部噪聲。外部擾動包括輻射源的隨機波動和附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)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(nèi)部噪聲是隨機起伏的，覆蓋在很寬的頻譜范圍內(nèi)，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保可靠檢測所必需的信噪比。第七十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日1、檢測電路的噪聲等效處理

輻射探測器中存在許多內(nèi)部噪聲，主要的噪聲來源是熱噪聲和散粒噪聲。熱噪聲是導電材料中載流子不規(guī)則熱運動在材料兩端產(chǎn)生的隨機漲落電壓，它是電阻性電路器件的共性噪聲。噪聲電壓均方值取決于材料的溫度，并有關(guān)系式中，k——波爾茲曼常數(shù)，

T——材料的絕對溫度，

R(f)——表示電阻隨頻率的變化關(guān)系，

——熱噪聲的頻譜分布帶寬第七十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日在室溫下熱噪聲的有效帶寬可證明為

式中，h為普朗克常數(shù)，

在室溫情況下可計算B＝0.28GHz。這對實際的檢測電路是足夠?qū)挼?。因此熱噪聲的頻譜可看作是平直的，稱作白噪聲。熱噪聲的功率譜分布和等效噪聲帶寬a)熱噪聲功率譜

b)等效噪聲帶寬第七十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日在純電阻的簡單情況下，R與頻率無關(guān)，熱噪聲的輸出取決于檢測電路的實際通頻帶Δf，此時

相應的噪聲電流均方值為

當溫度為T＝300K時，，電阻的噪聲電壓和電流有效值變成

例如，對于室溫下的1MΩ電阻，如果檢測電路的放大倍數(shù)為1，則輸出的熱噪聲電壓有效值在電路通頻帶為Δf＝30kHz時是22.3μV，通頻帶為10MHz時是400μV，而整個白噪聲的輸出電壓為413mV。由此