(完整版)第四章光電信號檢測電路

檢測電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光電器件輸入電路前置放大及耦合電路光電器件：光電變換輸入電路：為光電器件提供正常的工作條件，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。前置放大及耦合電路：輸入信號的精確檢測輸出例如光電器件輸入電路前置放大第四章光電信號檢測電路主要內(nèi)容：4.1

光電檢測電路的設(shè)計要求4.2

光電信號輸入電路的靜態(tài)計算4.3

光電信號檢測電路的動態(tài)計算4.4

光電信號檢測電路的噪聲4.5

前置放大器4.1

光電檢測電路的設(shè)計要求設(shè)計原則：保證光電器件和后續(xù)電路最佳的工作狀態(tài)。使整個檢測電路滿足下列要求：光電轉(zhuǎn)換能力強：光電靈敏度、線性范圍。動態(tài)響應(yīng)能力快：頻率響應(yīng)信號檢測能力強：信噪比(SNR)、等效噪聲功率(NEP)。穩(wěn)定性、可靠性好：工作要求（精度重復(fù)性）4.2

光電信號輸入電路的靜態(tài)計算靜態(tài)計算法是對緩慢變化的光信號采用直流電路檢測時使用的設(shè)計方法，由于光電檢測器件的非線性伏安特性，所采用的方法包括非線性電路的圖解法和分段線性化的解析法。按照伏安特性的基本性質(zhì)可分為三種類型：恒流源型、光伏型和可變電阻。1612840

51015M1200800400040801205432102004006008001000光電倍增管光電二極管光電三級管4.2.1

恒流源型器件光電信號輸入電路在工作電壓較小時，曲線呈彎曲，存在一個轉(zhuǎn)折點M，隨電壓增大，輸出電流變化不大，趨于恒流。這種輸出電流隨著器件端電壓增大而變化不大的性質(zhì)稱為恒流源特性。VU/光電流由輸入的光功率來控制由圖可得，同樣的端電壓下，輸入的光通量越大，則電路中的電流越大，從負載RL輸出的電壓也就越大，而光電器件兩端的電壓則變小120080040004080120光電二極管VU/1、圖解計算法：利用包含非線性元件的串聯(lián)電路的圖解法對恒流源器件的輸入電路進行計算。負載線方程：UUbRLI基本電路制約關(guān)系負載線與對應(yīng)輸入光通量為Φ0時的器件的伏安特性曲線交點Q，即為輸入電路的靜態(tài)工作點，當(dāng)Φ0下降ΔΦ時，在負載電阻RL上產(chǎn)生的電壓信號輸出和的電流信號輸出。1、圖解計算法：利用包含非線性元件的串聯(lián)電路的圖解法對恒流源器件的輸入電路進行計算。負載線方程：UUbRLI基本電路可借助圖解法合理地選擇電路參數(shù)，如最大工作電流、最大工作電壓和最大耗散功率。圖中給出了Ub不變時，RL的大小對輸出信號的影響：輸入光通量變化時，負載電阻的減小，光電器件端電壓增大，輸出電壓減小同時負載電阻的減小會受到最大工作電流和功耗的限制。而過大的RL又使輸出負載線進入非線性區(qū)，使輸出信號波形畸變。圖解法的應(yīng)用：電路分析

光電開關(guān)1、負載電阻的影響分析：負載線的斜率1/RL功耗限制可見負載電阻增加可增加輸出電壓，但是必須適當(dāng)圖解法的應(yīng)用：2、偏置電壓的影響分析：功耗限制圖中給出了RL

不變時，Ub的大小對輸出信號的影響：當(dāng)偏置電壓增大時，輸出信號電壓幅度也隨之增大，線性度得到改善，但電路的功耗隨之加大，過大的偏置電壓會引起光電二極管的反向擊穿。可見偏置電壓增加可提高線性度，但是也應(yīng)該適當(dāng)由ΔΦ和ΔI選擇RL和Ub稍高于轉(zhuǎn)換點M，以便有最大不失真電壓輸出。利用輸出的線性關(guān)系，確定RL和Ub同時保證Ub不大于器件最大工作電壓Umax圖解法的應(yīng)用M2、解析計算法：對光電器件的非線性伏安特性進行分段折線化，稱為折線化伏安特性。折線化的畫法一折線化的畫法二折線化的畫法折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：轉(zhuǎn)折電壓U0—對應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點M處的電壓值。初始電導(dǎo)G0—非線性區(qū)近似直線的初始斜率。結(jié)間漏電導(dǎo)G—線性區(qū)各平行直線的平均斜率。光電靈敏度S—單位輸入光功率所引起的光電流值。φ為輸入光功率Ip為對應(yīng)的光電流折線化的分析原則：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和：Id--為與二極管端電壓U成正比，由結(jié)間漏電導(dǎo)形成的無光照電流（暗電流）。Ip—為與端電壓無關(guān)，僅取決于輸入光功率Φ的光電流。則：那么理想的光電二極管等效電路可表示為：M1、確定線性工作區(qū)域(確定U0,G0,G,S的關(guān)系)

折線化伏安特性的分析：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)：2、計算負載電阻和偏置電壓：H點M點3、計算輸出電壓幅度：Φ=03、計算輸出電流幅度：通常，上式可簡化為：4、計算輸出電功率：4.2.2

光伏型器件光電信號輸入電路00.10.20.30.40.5-0.2-0.4-0.6-0.8光伏型器件伏安曲線等效電路光伏型器件伏安曲線如圖示，位于第四象限，器件的端電壓U和電流I的方向相反，具有賦能元件的性質(zhì)。這類器件主要是光電池和光電池工作狀態(tài)下的光電二極管。光電池輸出電流有下列形式：將光電池的伏安特性轉(zhuǎn)到第一象限，即規(guī)定電流的正方向，則伏安特性可表示為：或1、光伏型器件輸入電路的形式：

無偏置型、反向偏置型和太陽能電池充電電路2、無偏置輸入電路的靜態(tài)計算電路方程：圖解法分析：負載線與給定光通量Φ0對應(yīng)的伏安曲線的交點即為工作點Q。Q點對應(yīng)的U和I即為RL上的輸出電流和電壓。光通量變化時形成相應(yīng)的輸出電流變化和輸出電壓變化。O伏安特性非線性光通量較小時近似線性關(guān)系光通量較大時逐漸飽和狀態(tài)

電阻越大越明顯負載電阻的選取影響輸出信號光伏型器件負載電阻和光通量的影響分析：RL↑UMRM

短路電流或線性電流放大(區(qū)域I)

空載電壓輸出(區(qū)域IV)

線性電壓輸出(區(qū)域

II)1、負載電阻很小,接近于0,電路工作狀態(tài)接近于短路工作狀態(tài),可實現(xiàn)電流變換。后續(xù)電流放大級可從光電池中吸取最大的輸出電流。此時輸出電流為：和短路電流或線性電流放大區(qū)域I線性關(guān)系良好2、光電池的開路電壓通常為0.45-0.6V，當(dāng)入射光強做跳躍式變化時，不要求電壓隨光通量線性變化（IV區(qū)），適合于開關(guān)電路或繼電器工作狀態(tài)。開路電壓是：特點：在這種狀態(tài)下，對于較小的入射光通量，開路電壓輸出變化較大，有利于弱電信號的檢測空載電壓輸出區(qū)域IV3、此時負載電阻處于中間值，小于臨界負載RM

，輸出電壓與輸入光通量近似線性。這通常是我們需要的工作狀態(tài)！在線性度要求不高時,可用圖解法通過OA負載線,確定RM線性電壓輸出區(qū)域II特點：連接電壓放大器光敏電阻的應(yīng)用----照相機電子快門硫化鎘光敏電阻，與人眼光譜響應(yīng)接近輸入電路1、電壓比較器正端電壓固定2、按下開關(guān)，負端電位被拉到地，電壓比較器輸出高電平，三極管導(dǎo)通，快門打開3、同時，電容開始充電，A點的電位逐漸升高，充電的電流大小由光敏電阻的阻值決定。若外界光線強烈，則阻值小，電流大，充電過程迅速4、電容充電完畢，電路斷開，負端電壓升高超過正端，三極管截止，快門關(guān)閉A4.2.3

可變電阻型器件光電信號輸入電路UL光敏電阻電路圖解法伏安曲線其阻值隨輸入光通量改變的伏安特性如右下圖。光敏電阻的一般輸入電路利用圖解法分析光敏電阻輸入電路如圖示。在建立負載線之后即可確定對應(yīng)于輸入光通量Φ1~Φ3變化的輸出信號。？利用解析法分析光敏電阻輸入電路按照線性電路規(guī)律，依圖有：UL當(dāng)光通量變化時，光敏電阻變化ΔR，引起負載上輸出電流ΔI和輸出電壓ΔU的變化：又所以即有：和練習(xí)思考UL已知負載10k，偏置電壓100V,光電導(dǎo)靈敏度為S=0.5×10-6S/lm，暗電導(dǎo)為0，假設(shè)靜態(tài)工作點光通量為100lm時，光敏電阻阻值為20k，試求光通量在50lm到150lm的范圍內(nèi)變化時電路負載上輸出電流和輸出電壓的變化范圍。光敏電阻的兩種工作狀態(tài)1）恒流偏置2）恒壓偏置當(dāng)RL>>R時，UL負載電流與光敏電阻阻值無關(guān)，近似保持常數(shù)。選取RL<<R時，加在光敏電阻上的電壓近似為電源電壓Ub，與R無關(guān)。輸出信號電壓為：更換光敏電阻則影響不大4.3光電信號檢測電路的動態(tài)計算光電檢測電路接收交變光信號時，與緩變光信號相比，交變信號有更豐富的頻率分量，信號微弱時還需要多級放大等。與緩變光信號檢測電路的設(shè)計不同，在分析和設(shè)計交變光信號檢測電路時，需要解決下面的動態(tài)計算問題：1、確定檢測電路的動態(tài)工作狀態(tài)，使交變光信號作用下負載上能獲得最小非線性失真的電信號輸出。2、使檢測電路具有足夠的頻率響應(yīng)，以能對復(fù)雜的瞬變光信號或周期光信號進行無頻率失真的變換和傳輸。4.3.1

光電信號輸入電路的動態(tài)計算為提供光電檢測器件正常的工作條件，首先要在交變光信號輸入電路中建立直流工作點。另一方面要考慮后續(xù)電路的等效輸入阻抗與輸入電路直流負載電阻的并聯(lián)。下面分別以光電二極管和光電池為例介紹其交流檢測電路的動態(tài)計算方法。1）光電二極管交流檢測電路檢測電路交變光信號輸入光照度：交流信號視電容短路，負載為Rb和RL并聯(lián)，畫交流負載線，通過M點，以便充分利用線性空間。交流負載線與E0的伏安特性交點為Q點，通過Q點圖解可以得到Rb和Ub。在三角形MHQ中，交流負載線MN的斜率GL+Gb。交流負載電流峰值為Im，有：下面計算負載RL上（或后續(xù)電路輸入阻抗）的輸出電壓和輸出功率值。由交流負載線MN有電流關(guān)系：可得：負載電阻RL上輸出功率PL為：上式中對RL求偏微分，計算最大功率輸出下的負載電阻RL0(推導(dǎo)過程略)，可得：稱為阻抗匹配條件。此時負載上輸出電壓峰值Um0、最大輸出功率有效值PLm和輸出電流峰值IL0為：下面求解最大功率輸出條件的直流偏置電阻Rb0和電源電壓Ub，由解析法計算，Q點的電流值由伏安特性，可知：由負載線得：由兩式得：另外，在電壓軸上Q點處的電壓UQ為：由UQ的兩個式子可計算出Gb0或Rb0為：或2）光電池交流檢測電路直流負載線是通過原點且斜率為Gb的直線，與E=E0的伏安特性相交于Q點。交變光信號輸入光照度：交流負載線通過Q點，斜率為Gb+GL，與最大光照度伏安特性交于M點。M點的電壓UM應(yīng)滿足：在最大功率輸出條件下的輸出電壓、功率和電流的表達式：與光電二極管的解析計算過程類似，可求得對光電池交流檢測電路有最大功率輸出的條件為：GL=Gb=GL0最大功率輸出條件的直流偏置電阻的數(shù)值可計算為：5.3.2光電檢測電路的頻率特性光電器件的自身慣性和檢測電路的耦合電容、分布電容等非阻性元件的存在。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(yīng)。在檢測技術(shù)中常采用頻域分析法。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(shè)計才能充分發(fā)揮器件的固有性質(zhì)，達到預(yù)期的動態(tài)要求。描述檢測器件頻率響應(yīng)通道的參數(shù)是通頻帶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)以器件等效電路為基礎(chǔ)，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(shè)計檢測電路的實例。1、光電檢測電路的高頻特性除熱釋電器件外，大多數(shù)光電、熱電檢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(yīng)的衰減上。光電二極管交流檢測電路微變等效電路圖耦合電容對高頻信號視為短路。e=E0+Emsinωt為輸入光照度;iL為負載電流;Cj為光電二極管結(jié)電容；ib為偏置電流，ij為結(jié)電容電流;ig為反向漏電流。均為復(fù)數(shù)值。由圖得：其中稱為檢測電路的時間常數(shù)上式可改寫成：可得上限頻率：可見，檢測電路的頻率特性與光電二極管參數(shù)Cj和g有關(guān)，還取決于放大電路的參數(shù)GL和Gb。稱為檢測電路的頻率特性對應(yīng)檢測電路不同的工作狀態(tài)，頻率特性式可有不同的簡化形式：①給定輸入光強度，希望負載上獲取最大功率輸出。要求滿足的條件式：時間常數(shù)和上限頻率分別為：此時:②電壓放大時，希望在負載上獲得最大電壓輸出要求滿足的條件式:此時:時間常數(shù)和上限頻率分別為：③電流放大時，希望在負載上獲得最大電流輸出要求滿足的條件式:此時:時間常數(shù)和上限頻率分別為：光電檢測電路的頻率特性1)給定光照度輸出最大功率RL=Rb

Gb

>>g2)輸出最大電壓

RL>>Rb

Gb

>>g3)輸出最大電流Rb

>>RLg很小RL和Rb

的選取考慮增益和帶寬電壓頻率R總結(jié)：

1、為從光電二極管得到足夠的信號功率和電壓，負載電阻RL和直流偏置電阻Rb不能很小，阻值過大，又使高頻截止頻率下降，降低通頻帶，因此要由增益和帶寬綜合考慮選擇負載大小。

2、在電流放大情況下，負載RL取得很小，由后級放大得到足夠的信號增益。因此采用低輸入阻抗、高增益的電流放大器使檢測器件工作在電流放大狀態(tài)，以提高頻率響應(yīng)。這種高增益放大器可在不改變信號通頻帶的前提下提高信號的輸出電壓。2、光電檢測電路的綜合頻率特性檢測電路等效電路光電檢測電路、等效電路如圖。其中考慮了隔直電容、分布電容和放大輸入電容的影響。這些參數(shù)是確定電路通頻帶的重要因素。圖中C0是電路的布線電容，Ci是放大器輸入電容，Cc是級間耦合電容。輸入電路的頻率特性可寫成：其中當(dāng)Rg>>Rb式中：輸入電路的振幅頻率特性：對數(shù)頻率特性：規(guī)整化特性實際對數(shù)特性對數(shù)頻率特性高頻段綜合對數(shù)頻率特性可分為：1、高頻段（ω>ω2=1/T2）ω2稱為上限截止頻率。檢測電路中的高頻衰減主要是因為電路中各電容容抗隨ω的增加而減少，電容分流作用的加大使輸出信號變小。對數(shù)頻率特性等效電路對數(shù)頻率特性等效電路ω0為這段頻率的中心頻率。頻率滿足ωT1>>1和ωT2<<1。相應(yīng)的頻率特性為：可見，中頻段范圍內(nèi)輸入電路可看作理想的比例環(huán)節(jié)，這段頻率區(qū)間稱做電路的通頻帶。2、中頻段（ω1<ω<ω2）中頻段低頻段對數(shù)頻率特性等效電路3、低頻段（ω<ω1=1/T1）ω1稱為低頻或下限截止頻率。檢測電路中的低頻衰減的物理原因是電路中串聯(lián)耦合電容的容抗隨ω的減小而增大，信號在電容上壓降的提高使輸出信號變小。在保證靈敏度為前提下線性不失真頻率不失真通過分析組成單元的頻率特性,計算出系統(tǒng)綜合頻率特性電路的通頻帶光信號的頻譜寬度3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計檢測電路頻率特性的設(shè)計大體包括下列三個基本內(nèi)容：①信號的頻譜分析

對輸入光信號進行傅里葉頻譜分析，確定信號的頻譜分布；②確定帶寬和上限截止頻率

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確定單級阻容參數(shù)

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)。下面通過一個實例說明頻率特性設(shè)計的方法：3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計例：用2DU1型光電二極管和兩級相同的放大器組成光電檢測電路。被測光信號的波形如圖，脈沖重復(fù)頻率f=200kHz，脈寬t0=0.5μs，脈沖幅度1V，設(shè)光電二極管的結(jié)電容Cj=3pF，輸入電路的分布電容C0=5pF，設(shè)計該電路的阻容參數(shù)。取包絡(luò)線第二峰值作為信號的高頻截止頻率，包含15個諧波成分，高頻截止頻率fHC取為：此時，認為光信號是不失真的。3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計解：（1）首先分析輸入光信號頻譜，確定檢測電路的總頻帶寬度。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：頻譜包絡(luò)線零值點的分布間隔為：頻率的零頻分量確定信號的直流成分，不影響變化的波形，但為采用交流放大利用阻容耦合電容隔直。取低頻截止頻率fLC為200Hz，則檢測放大器的總頻帶寬近似為ΔF≈3MHz。3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計（2）確定級聯(lián)各級電路的頻帶寬由設(shè)計要求，檢測電路由輸入電路和兩級相同放大器串聯(lián)而成，設(shè)三級帶寬相同，根據(jù)電子學(xué)系統(tǒng)頻帶寬計算式，相同n級級聯(lián)放大器的高頻截止頻率fnHC和低頻截止頻率fnLC為：將fnHC=fHC=3MHz、fnLC=fLC=200Hz和n=3代入上兩式，可得：則輸入電路和單級放大器的通頻帶寬相同，且：3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計（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，利用前述公式可計算出。RL為后級放大器的輸入阻抗，若取RL為2kΩ，為保證RL<<Rb，取Rb=(10~20)RL，即Rb=10RL=20kΩ。耦合電容C的值是由低頻截止頻率決定的。由fL=102Hz和下式可計算C值為：取C=1μF，對于第一級耦合電容可適當(dāng)增大10倍，取電容值C=10μF。（why?）3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計（4）計算輸入電路參數(shù)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，這里取為10MHz。得到如圖所示的檢測電路。圖中輸入電路的直流電源為50V，低于2DU1型光電二極管的最大反向電壓。并聯(lián)的500μF電容用以濾除電源波動。為減少C電解電容寄生電感的影響，并聯(lián)了Cp=200pF的電容。第5章光電信號檢測電路主要內(nèi)容：5.1光電檢測電路的設(shè)計要求5.2光電信號輸入電路的靜態(tài)計算5.3光電信號檢測電路的動態(tài)計算5.4光電信號檢測電路的噪聲5.5前置放大器檢測器在光電轉(zhuǎn)換過程中，既存在檢測信號電壓或信號電流，還伴隨著無用的噪聲電壓或噪聲電流。噪聲是一種隨機過程，其波形和瞬時振幅及相位是無規(guī)則變化的，無法精確測量，只能用統(tǒng)計的理論和方法去處理。包括輻射源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、雜散光的入射及檢測系統(tǒng)所受到的電磁干擾這些噪聲可以通過穩(wěn)定輻射源、遮斷雜光、選擇偏振面或濾色光片及電氣屏蔽、電干擾濾波等加以改善或消除。元器件帶電粒子的不連續(xù)性及局部不均，是固有噪聲，由基本物理過程決定的，不可人為消除。系統(tǒng)噪聲外部噪聲內(nèi)部噪聲4.4