《光電檢測(cè)技術(shù)》投影片3

1、第三章 光電檢測(cè)器件 3.1 光電探測(cè)器中的噪聲1 光電測(cè)量系統(tǒng)的噪聲情況A光子噪聲（信號(hào)輻射、背景輻射噪聲）B探測(cè)器噪聲（如以下所述五種噪聲）C信號(hào)放大與處理電路噪聲 2 光電探測(cè)器中的噪聲 A熱噪聲。是白噪聲，存在于任何導(dǎo)體和半導(dǎo)體中。載流子熱運(yùn)動(dòng)引起的電流起伏或電壓起伏稱熱噪聲，又稱電阻噪聲。 熱噪聲均方電流： (當(dāng)f1012Hz時(shí)) 熱噪聲均方電壓： （當(dāng)f200Hz時(shí)，器件的1/f噪聲已很小，可忽略。 均方電流：fqTin 22222214fNfIionffcIin2 E溫度噪聲。由于器件本身溫度起伏產(chǎn)生。溫度起伏均方值： 注： 噪聲等效帶寬f的求法： （即噪聲帶寬f求法） 其中A(

2、f)為光電系統(tǒng)中放大器的功率增益。222214ttnfGfkTt 01dffAAfm3 上述各種噪聲的功率譜分布圖 噪聲的功率譜S（f）：指噪聲功率隨頻率變化關(guān)系。S(f)數(shù)值為頻率f的噪聲在 1電阻上能產(chǎn)生的功率。 對(duì)兩種典型情況： A、白噪聲：S(f)常數(shù)； B、1/f噪聲：S(f)1/f。 光電探測(cè)器噪聲的功率譜分布示意圖3.2 探測(cè)器的主要特性參數(shù) 1 響應(yīng)率與光譜響應(yīng)率： (單位：V/W) 若知 （光通量，單位為：V/1m或A/1m）則有 或eVS e )()(eVVS eIIS 2 等效噪聲功率NEP和探測(cè)率： 探測(cè)率為探測(cè)器測(cè)量最小光信號(hào)能力的指標(biāo)。 (W) 22SiiIennI

3、NEPwiSnNEPDI121歸一化探測(cè)率為: (單位: )Ad為探測(cè)器面積 表示用溫度500K的黑體做光源，調(diào)制頻率為900Hz，測(cè)量帶寬為1Hz等測(cè)量條件。 fDDAd*WHtcm1211 ,900,500*KD 3 響應(yīng)時(shí)間 （階躍光輸入時(shí)） 上升時(shí)間 一般等于下降時(shí)間探測(cè)器的上限頻率探測(cè)器的 為： = 4 線性 上下210f fS fSffS22103.3 光敏電阻 1 工作原理 光敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件。在均質(zhì)的光電導(dǎo)體兩端加上電極后構(gòu)成光敏電阻。光敏電阻兩端電極加上一定電壓后，當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上，光照將產(chǎn)生光生載流子，在外電場(chǎng)作用下，定向運(yùn)動(dòng)，形

4、成電流。其原理圖及電路符號(hào)為： 光生載流子過程： nmEgEgqhc12400nmEEqhc12400 因此，光敏電阻的長(zhǎng)波限為， 本征半導(dǎo)體： 摻雜半導(dǎo)體： 由于EEg，摻雜型可應(yīng)用與紅外波段。 2 光敏電阻的特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： a.光譜的范圍相當(dāng)寬（紫外，可見，近紅外， 遠(yuǎn)紅外），對(duì)紅外有較高的響應(yīng)度。 b.工作電流大，可達(dá)數(shù)mA。（可驅(qū)動(dòng)繼電器 吸合） c.可測(cè)強(qiáng)光，也可測(cè)弱光。 不足之處： a. 強(qiáng)光照射下光電轉(zhuǎn)換線性較差。 b. 光電馳豫過程較長(zhǎng)，頻率響應(yīng)很低。 3 光敏電阻的特性參數(shù) 光電導(dǎo)靈敏度Sg：光敏電阻的光電導(dǎo)g與輸入光照度E之比即為光電導(dǎo)靈敏度。即 式中，A為光敏面積；為入射

5、的通量。由歐姆定律，電流I與電壓U的關(guān)系為I=gU，將式中g(shù)=SgE代入得I=SgEU，此即弱光照時(shí)的線性關(guān)系。 電阻靈敏度SR： 暗電阻與亮電阻。AgEgSgddRRRRS亮 光電特性：光敏電阻的光電流I與輸入輻射通量有下列關(guān)系式：I=AUr，其中A為光敏材料決定的常數(shù)；U為電源電壓；r為0.5-1之間的系數(shù)。弱光照時(shí)，r=1，I與有良好的線性關(guān)系。即線性光電導(dǎo)；強(qiáng)光照時(shí)。r=0.5，即拋物線性光電導(dǎo)。以CdS光敏電阻為例的光電特性曲線如下圖所示。 溫度特性：光敏電阻的特性曲線很復(fù)雜。圖2-14為CdS和Cd光敏電阻的溫度特性。光敏特性受溫度影響較大，為了提高性能的穩(wěn)定性、降低噪聲、提高探測(cè)

6、率，采用專門的冷卻裝置冷卻靈敏面的辦法是十分必要的。 伏安特性（輸出特性）：在一定光照下，光敏電阻的電流與所加的光電壓關(guān)系即為伏安特性。如圖2-13所示，光敏電阻是一個(gè)純電阻，因此符合歐姆定律，故曲線為直線，圖中虛線為額定功耗線。使用時(shí)，應(yīng)不使電阻的實(shí)際功耗超過額定值。在設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)不使負(fù)載線與額定功耗線相交。 前歷效應(yīng)：前歷效應(yīng)是指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前歷史有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測(cè)試前光敏電阻所處的狀態(tài)對(duì)光敏電阻特性的影響。 時(shí)間和頻率響應(yīng)：光敏電阻的時(shí)間常數(shù)比較大，所以其上限頻率低。只有PbS光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。光敏電阻的時(shí)間特性與輸入光的照度、工作溫度有明顯的

7、依賴關(guān)系。 噪聲：當(dāng)工作頻率f小于1KHz時(shí)，主要為1/f噪聲；當(dāng)1KHzf1MHz，主要是熱噪聲。由于光敏電阻的時(shí)間常數(shù)大，一般工作在低頻段，所以主要表現(xiàn)1/f噪聲。 4 光敏電阻的應(yīng)用 光敏電阻有靈敏度高、工作電流大（達(dá)數(shù)毫安）、光譜響應(yīng)范圍與所測(cè)光強(qiáng)范圍寬、無極性使用方便的優(yōu)點(diǎn)。 但有響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、頻率特性差、強(qiáng)光性差與受溫度影響的缺點(diǎn)。主要用在紅外的弱光探測(cè)與開關(guān)控制。 3.4 光伏效應(yīng)器件 3.4.1 概述1、什么是光伏效應(yīng)： 如果固體內(nèi)部存在一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，而且條件相當(dāng)，則本征光吸收能產(chǎn)生的電子空穴對(duì)將會(huì)被電場(chǎng)分離，電子越向固體的一部分，空穴越向另一部分，兩部分之間產(chǎn)生電勢(shì)差，這就是光

8、伏特效應(yīng)，接上外電路可以輸出電流。PN結(jié)具有光生伏特效應(yīng)。2、光伏效應(yīng)與光電導(dǎo)效應(yīng)： 后者表示材料受光輻射后，材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化。二者相同點(diǎn)：都存在內(nèi)光電效應(yīng)。 3、PN結(jié)型光電器件與光敏電阻的區(qū)別： A、產(chǎn)生部位不同； B、光敏電阻沒有極性，工作時(shí)必須外加電源，要讓光生載流子在擴(kuò)散中被復(fù)合掉，結(jié)型光電器件沒有外加電路也可把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)； C、前者響應(yīng)速度較快，后者時(shí)間常數(shù)較大； D、有些結(jié)型光電器件內(nèi)增益較大，靈敏度較高。4、結(jié)型光電器件的應(yīng)用領(lǐng)域：廣泛用于光度色度測(cè)量，光電自動(dòng)控制，光電開關(guān)，光繼電器，報(bào)警系統(tǒng)，電視傳真，圖像識(shí)別等系統(tǒng)等方面。5、結(jié)型光電器件的工作模式：結(jié)型光電器

9、件在有光照條件下，只有在反偏置或零偏置時(shí)，才產(chǎn)生明顯的光伏效應(yīng)。前者稱（反偏置的）光電導(dǎo)工作模式，后者稱（零偏置的）光伏工作模式。 6、光照下結(jié)型光電器件PN結(jié)的電流方程：IP：光激發(fā)電子空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)作用下光生電流。I0：PN結(jié)反向飽和電流。IL：光伏電壓產(chǎn)生電流，總電流是二者之差。 其中IP =SEE （SE稱光照靈敏度）IIIIPPDLkTqvI1exp03.4.2 光電池 光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)變成電能的一種器件。目前應(yīng)用較多的是硒光電池和硅光電池。硒光電池因光譜特性與人眼視覺很接近，頻譜較寬，故多用于曝光表和照度計(jì)。硅光電池是目前轉(zhuǎn)換效率最高（達(dá)到17%），幾乎接近

10、理論極限的一種光電池。 1、光電池的結(jié)構(gòu) 光電池核心部分是一個(gè)PN結(jié)，一般做成面積較大的薄片狀，來接受更多的入射光。 作為光電探測(cè)器使用的可按不同測(cè)量要求特制。如光柵測(cè)量中使用的四等分硅光電池之類的多極電池組，電極數(shù)目有3、4、5個(gè)等多種。還有把光電池制成兩個(gè)對(duì)稱半圓式，四象限式，適合差分放大電路。2、光電池的特性參數(shù) 輸出特性輸出特性：PN結(jié)光電池伏安特性曲線在無光照時(shí)與普通半導(dǎo)體二極管相同，有光照時(shí)沿電流軸方向平移。平移幅度與光照度成正比，如圖2-20所示。曲線與電壓軸的交點(diǎn)稱為開路電壓，與電流軸的交點(diǎn)稱為短路電流。圖2-21是光電池的等效電路。 光譜特性光譜特性：圖2-27為光電池的光譜

11、響應(yīng)曲線，它表明了用單位輻射通量的不同波長(zhǎng)的光分別照射時(shí)，光電池短路電流大小的相對(duì)比較。硅光電池的光譜響應(yīng)范圍為0.41.1m，峰值波長(zhǎng)為0.80.9m。硒光電池的光譜響應(yīng)范圍為0.340.75m，峰值波長(zhǎng)為0.54m左右。光電池不僅和材料有關(guān)，而且隨制造工藝及使用環(huán)境溫度不同而有所移動(dòng)。 溫度特性溫度特性：光電池的溫度特性曲線是描述Voc及Isc隨溫度變化的情況。隨溫度的升高，硅光電池的光譜響應(yīng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，開路電壓Voc將下降，短路電流Isc略有上升。國(guó)產(chǎn)硅光電池的溫度特性為溫度每升高1，Voc下降約23mV，Isc上升約78A。當(dāng)光電池作為探測(cè)器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器應(yīng)考慮溫度的漂移或進(jìn)行補(bǔ)償

12、，以保證測(cè)量精度，溫度升高，轉(zhuǎn)換效率略有下降，這是對(duì)作為換能器的光電池所應(yīng)考慮的。 頻率特性頻率特性：光電池作為探測(cè)器件在交變光照下使用時(shí)，由它的頻率特性來描述光的交變頻率與光電池輸出電流的關(guān)系。在交變光照下，光電池的響應(yīng)時(shí)間由PN結(jié)電容和負(fù)載電阻RL的乘積決定，而結(jié)電容與器件面積成正比，故在要求較好頻率特性的探測(cè)電路中，選用小面積光電池較有利。如果負(fù)載選擇得當(dāng)，可以獲得較高的頻率特性。 3、光電池的應(yīng)用 光電池的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面，一是作為光電檢測(cè)器件，二是將太陽能轉(zhuǎn)變成為電能。 光電池作為探測(cè)器件，有著光敏面積大，頻率響應(yīng)高，光電流隨照度線性變化等特點(diǎn)。因此，它既可作為開關(guān)應(yīng)用，也可用于線

13、性測(cè)量。如用在光電計(jì)數(shù)、光電開關(guān)、光柵測(cè)量技術(shù)、激光準(zhǔn)直、電影還音等裝置上。 光電池將太陽能變成電能，目前主要是使用硅光電池，因?yàn)樗苣洼^強(qiáng)的輻射，轉(zhuǎn)換效率較其它光電池高。實(shí)際應(yīng)用中，把硅光電池單體經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛(wèi)星、微波站，野外燈塔，航標(biāo)燈，無人氣象站等無輸電線路地區(qū)的電源供給。 3.4.3 光敏二極管 1、結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體光敏二極管與普通二極管類似，都有一個(gè)PN結(jié)，均屬單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。 為了獲得盡可能大的光生電流，光敏二極管PN結(jié)面積比普通二極管大得多，且通常都以擴(kuò)散層作為它的受光面，受光面上的電極做得很小。 為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極

14、管淺。 為了保證管子的穩(wěn)定性、減小暗電流和防止光線的反射，在表面上還必須用二氧化硅作保護(hù)。 2、原理 無光照時(shí)，只有熱效應(yīng)引起的微小暗電流經(jīng)過PN結(jié)。光照時(shí)，不同波長(zhǎng)的光在光敏二極管的不同區(qū)域被吸收，在那里激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在空間電荷區(qū)電場(chǎng)的作用下，它們分別達(dá)N區(qū)和P區(qū)。產(chǎn)生的光生電流隨入射光強(qiáng)度的變化而相應(yīng)變化，這樣，在負(fù)載電阻上就可得到一個(gè)隨入射光變化的電壓信號(hào)。 光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用。光敏二極管可以按光伏型工作（即無外加偏壓），也可以按光電導(dǎo)型工作。加大反偏壓可提高光敏二極管的靈敏度，但是，不能無限地加大反向偏壓，因?yàn)樗€受到PN結(jié)表面漏電及反向擊穿電壓等因素的限制。3、光

15、敏二極管的特性參數(shù)光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)：光譜響應(yīng)主要決定于， A、表面層（半導(dǎo)體薄層與金屬薄層）中的反射與吸收； B、材料的禁帶寬度Eg； C、表面抗反射涂層的性質(zhì)與厚度； D、器件的結(jié)構(gòu)。 圖2-34是三種典型的光敏二極管的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線。 光敏二極管的光照特性光敏二極管的光照特性：光敏二極管在反向偏壓的光生電流，電壓特性如圖2-35所示。曲線與坐標(biāo)的交點(diǎn)即為零偏壓時(shí)的光生電流。在較小的負(fù)載電阻下，表現(xiàn)出較好的線性。 光敏二極管的頻率響應(yīng)光敏二極管的頻率響應(yīng)：光敏二極管的頻率響應(yīng)，主要由載流子的渡越時(shí)間和RC時(shí)間常數(shù)來決定。 載流子的渡越時(shí)間：擴(kuò)散型PN結(jié)光敏二極管，主要由在結(jié)兩側(cè)一個(gè)少子擴(kuò)散

16、長(zhǎng)度范圍內(nèi)的區(qū)域中，光生少子擴(kuò)散至結(jié)區(qū)所需的擴(kuò)散時(shí)間來決定。耗盡層型光敏二極管，主要由光生少子在結(jié)區(qū)的漂移時(shí)間來決定。波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光在較深處被吸收，產(chǎn)生的少數(shù)載流子遠(yuǎn)離PN結(jié)，需較長(zhǎng)的擴(kuò)散時(shí)間才能被收集。 RC時(shí)間常數(shù)：Rs為串聯(lián)電阻，電容Cj為結(jié)電容，RC時(shí)間常數(shù)為： 在實(shí)際使用中，時(shí)間常數(shù)中的R應(yīng)包括負(fù)載在內(nèi)，C還與分布電容有關(guān)。 jscCRW1 光敏二極管的溫度特性光敏二極管的溫度特性：由于反向飽和電流對(duì)溫度的強(qiáng)烈依賴性，光敏二極管的暗電流對(duì)溫度的變化非常敏感。圖2-40為典型光敏二極管的溫度特性。圖中實(shí)線表示典型值，圖中虛線表示可能的最大值。由曲線可知，在探測(cè)恒定光時(shí)（直流應(yīng)用）必須考慮

17、溫度的影響。光生電流與電壓隨溫度的變化見圖2-41。3、光敏二極管的類型 光敏二極管的種類很多，就材料來分，有鍺、硅制作的光敏二極管，也有-族化合物及其他化合物制作的二極管。從結(jié)特性來分，有PN結(jié)，P-i-N結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì)壘及點(diǎn)接觸型等。從對(duì)光的響應(yīng)來分，有用與紫外、可見及紅外等種類。 不同種類的光敏二極管，具有不同的電特性和探測(cè)性能。例如，鍺光敏二極管與硅光敏二極管相比，它在紅外光區(qū)域有更大的靈敏度。這是鍺材料的禁帶寬度較硅小，它的本征吸收限處于紅外，因此，在紅外應(yīng)用，鍺光敏二極管有較大的電流輸出，但它比硅光敏二極管有較大的反暗向電流，因此，它的燥聲較大。又如，P-i-N型或雪崩型光敏

18、二極管與擴(kuò)散型PN結(jié)光敏二極管相比具有很短的時(shí)間效應(yīng)。 3.4.4 光電倍增管(PMT)1、結(jié)構(gòu) PMT由光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)（光電陰極到第一個(gè)倍增極D1之間的系統(tǒng)）、二次發(fā)射倍增系統(tǒng)及陽極等構(gòu)成。光電陰極可根據(jù)設(shè)計(jì)需要采用不同的光電發(fā)射材料制成。陽極目前一般采用柵網(wǎng)狀陽極。電子光學(xué)系統(tǒng)形成的電場(chǎng)能很好地把來自光電陰極的光電子會(huì)聚成束并通過膜孔打到第一倍增極上，收集率可達(dá)85以上，渡越時(shí)間的離散性t約為10ns。倍增極根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為聚焦型和非聚焦型。聚焦型就是由前倍增極來的電子被加速和會(huì)聚在下倍增極上。而非聚焦型形成的電場(chǎng)只能使電子加速，電子軌跡是平行的。2、工作過程：光照射到光電陰極上

19、，光電陰極激發(fā)出的光電子在電場(chǎng)的加速作用下，打到第一倍增極（二次發(fā)射極）上，由于光電子能量很大，在倍增極上被激發(fā)出若干二次電子，這些電子在電場(chǎng)作用下，又打到第二倍增極處，又引起二次電子發(fā)射，直到陽極收集為止。若一次倍增極電子數(shù)增加倍，如果n個(gè)倍增極，則陽極收集的電子數(shù)就是原來的n倍。為二次電子發(fā)射系數(shù)，即一個(gè)入射電子所產(chǎn)生的二次電子的平均數(shù)。 3、PMT的基本特性參數(shù) 光譜響應(yīng)曲線：PMT的光譜響應(yīng)曲線與光電陰極的光譜響應(yīng)曲線相同，主要取決于光電陰極材料的性質(zhì)。 放大倍數(shù)（電流增益）：在一定的工作電壓下，光電倍增管的陽極電流和陰極電流之比稱為管子的放大倍數(shù)M或電流增益G。 暗電流Id：光電信增

20、管的暗電流是指無光照時(shí)，光電倍增管的輸出電流。 引起暗電流的因素有如下幾點(diǎn)： (1)光電陰極和第一倍增極的熱電子發(fā)射。在室溫下即使無光照也會(huì)有部分電子逸出表面，經(jīng)放大到達(dá)陽極成為暗電流。這是PMT的主要暗電流。 (2)極間漏電流。由于光電倍增管各級(jí)絕緣強(qiáng)度不夠或極間灰塵放電引起漏電流。 (3)離子和光的反饋?zhàn)饔?。管?nèi)殘余氣體被運(yùn)動(dòng)電子碰撞電離的電子經(jīng)放大形成暗電流。離子打在管壁上產(chǎn)生熒光再反射至陰極造成光反饋，形成暗電流。 (4)場(chǎng)致發(fā)射。電極上的尖端、棱角、粗糙邊緣在高電壓下(極間電壓U200V)發(fā)生。 (5)放射性同位素和宇宙射線的影響。PMT的光窗材料鉀衰變會(huì)產(chǎn)生一種發(fā)光的粒子；宇宙射線

21、中的介子穿過窗而成為光子。它們射到光電陰極上而產(chǎn)生暗電流(可采用一種無鉀的石英窗來大大減弱)。 減少暗電流幾的方法： 主要是設(shè)計(jì)好PMT的極間電壓。有了合適的極間電壓可避開光反饋、場(chǎng)致發(fā)射及宇宙射線等造成的不穩(wěn)定狀態(tài)的影響。其余還可按下述方法來減少： 在陽極回路中加上與暗電流相反的直流成分來補(bǔ)償； 在倍增輸出電路中加一選頻或鎖相放大濾掉暗電流； 利用冷卻法減小熱電子發(fā)射等。 伏安特性：伏安特性又稱陽極特性或輸出特性。即在一定光照下，陽極電流Ia與最后一級(jí)倍增極Dk和陽極A之間的電壓的關(guān)系。入射輻射通量越大，陽極電流越大，飽和電壓也越大，PMT工作范圍寬和線性好。 時(shí)間特性和頻率響應(yīng)：PMT是光

22、電發(fā)射型器件，時(shí)間常數(shù)非常小而有很高的頻率響應(yīng)。目前快速的PMT的響應(yīng)時(shí)間已達(dá)0.23ns。當(dāng)輸入正弦光信號(hào)給負(fù)載電阻為50的PMT時(shí)，PMT的f1可用下列經(jīng)驗(yàn)公式算出。即 rt35. 0f1 PMT的噪聲：PMT的噪聲主要有散粒噪聲和負(fù)載電阻的熱噪聲。一般來說，選PMT總是使熱噪聲遠(yuǎn)小于器件固有的散粒噪聲。一般RL都比O05大很多倍。所以PMT主要考慮散粒噪聲，而不考慮熱噪聲。 PMT的最小可探測(cè)功率Pmin(即NEP)：它表示PMT能探測(cè)到的最小功率的能力。 4、PMT的供電電路 電源電壓一般達(dá)千伏以上，使PMT工作在線性區(qū)內(nèi)。 分壓電路：由于PMT的倍增極多，通常采用電阻鏈分壓。為使各級(jí)

23、電壓穩(wěn)定，一般分壓電路的電流Ik為陽極電流Ia的20倍以上（即IR20Ia），這樣才能使分壓網(wǎng)絡(luò)的電流穩(wěn)定。但分流大大會(huì)使分壓電阻發(fā)熱而使管子溫度增加而增加噪聲。一般常用分壓器的阻值選擇范圍為20500之內(nèi)。由于倍增極D很大，對(duì)于直流的應(yīng)用，一般采取線性分壓，而對(duì)脈沖狀態(tài)的應(yīng)用，則用非線性分壓。 5、PMT的輸出電路： PMT可作為理想的電流源，其等效電路如圖形控制2-11所示。圖中，CL為輸出電容。PMT輸出端一般接約1 m 長(zhǎng)的同軸電纜，則CL約為100pF 。即 因此，低頻工作時(shí)，RL可取大些；高頻工作時(shí)，RL可取小些。CfRL上213.5 光電耦合器件 1、光電耦合器件的含義 將發(fā)光器

24、件(LED)和光敏器件(光敏二、三極管等)密封裝在一起形成的一個(gè)電-光-電器件。如圖所示。這種器件在信息的傳輸過程中是用光作為媒介把輸入邊和輸出邊的電信號(hào)耦合在一起的，在它的線性工作范圍內(nèi)，這種耦合具有線性變化關(guān)系。由于輸入邊和輸出邊僅用光來耦合，在電性能上完全是隔離的。有的人把光電耦合器件也稱為光隔離器或光耦合器。 2、光電耦合器件的特點(diǎn) A、具有電隔離的功能。它的輸入、輸出信號(hào)間完全沒有電路的聯(lián)系，所以輸入和輸出回路的電平零位可以任意選擇。絕緣電阻擊穿電壓高達(dá)10025KV，耦合電容小到零點(diǎn)幾個(gè)pF。 B、信號(hào)傳輸是單向性的。不論脈沖、直流都可以使用。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)均可。 C、具有抗干

25、擾和噪聲的能力。它作為繼電器和變壓器使用時(shí)，可以使電路板上看不到磁性元件。它不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。 D、響應(yīng)速度快。一般可達(dá)微秒數(shù)量級(jí)，甚至納秒級(jí)。它可傳輸?shù)男盘?hào)的頻率在直流和100MHZ之間。 E、使用方便。具有一般固體器件的可靠性，體積小，重量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低，工作溫度范圍在55100之間。 3、光電耦合器件的傳輸特性參數(shù) 電流傳輸比電流傳輸比：在直流狀態(tài)下，光電耦合器件的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的注入電流IF之比，稱為光電耦合器件的電流傳輸比。工作點(diǎn)選擇在輸出特性的不同位置時(shí)，直流傳輸比有不同的值，因此，在傳輸小信號(hào)時(shí)，用直流傳輸比是不恰當(dāng)?shù)?/p>

26、，而應(yīng)當(dāng)用所選工作點(diǎn)Q處的小信號(hào)電流傳輸比來計(jì)算。這種以微小變量定義的傳輸比稱為交流電流傳輸比。 在一般的線性狀態(tài)使用中，都盡可能的把工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在線性工作區(qū)； 對(duì)于開關(guān)使用狀態(tài)，由于不關(guān)心交流與直流電流傳輸比的差別，而且在實(shí)際使用中直流傳輸比又便于測(cè)量，因此通常都采用直流電流傳輸比。 FCII/ 輸入輸出間絕緣耐壓輸入輸出間絕緣耐壓BVBVcfo：這是指輸入與輸出之間的絕緣耐壓值。一般低壓使用時(shí)都能滿足要求。當(dāng)用于高壓控制時(shí)，就要注意這一參數(shù)。目前，北京光電儀器廠生產(chǎn)的光電耦合器件BVcfo500V，采用特殊的組裝方式，可制造用于高壓隔離線路等方面的耐壓達(dá)幾千伏特或上萬伏的光電耦合器件。 輸入

27、輸出間的絕緣電阻輸入輸出間的絕緣電阻R RFC：這是輸入與輸出端之間的絕緣電阻，一般在1091013之間。RFC的大小意味著光電耦合器件的隔離性能如何。光電耦合器件的RFC一般要比變壓器原付邊繞組之間的絕緣電阻大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此它的隔離性能要比變壓器好的多。北京光電儀器長(zhǎng)生產(chǎn)的RFC一般達(dá)到1011。 輸入輸出間的寄生電容輸入輸出間的寄生電容C CFC：這是輸入與輸出間的寄生電容。當(dāng)CFC變大時(shí)，會(huì)使光電耦合器件的工作頻率下降，也能使其共模壓制比CMRR下降，故后面的系統(tǒng)噪音容易反饋到前面系統(tǒng)中。對(duì)于一般的光電耦合器件，其CFC僅僅為幾個(gè)pF，一般在中頻范圍內(nèi)都不會(huì)影響電路的正常工作，但在高頻

28、電路中就要予以重視了。 最高工作頻率最高工作頻率f fM：上圖給出測(cè)量光電耦合器件的頻率特性的電路圖。向發(fā)光二極管送入幅度相等而頻率變化的交流小信號(hào)，在光電耦合器的輸出端用交流電壓表測(cè)其交流輸出電壓值。隨著頻率的最高，雖然輸入電壓幅度不變，而輸出幅度卻下降了，當(dāng)輸出電壓相對(duì)幅值降至0.707時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率就稱為光電耦合器件的最高工作頻率（或截止頻率），用fM表示。4、光電耦合器件抗干擾強(qiáng)的原因： A、光電耦合器件的輸入阻抗很低，一般為101k；而干擾源的內(nèi)阻一般都很大，一般為103106。按一般分壓比的原理來計(jì)算，能夠饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲就變的很小了。 B、由于一般干擾噪聲源的

29、內(nèi)阻都很大，雖然也能供給較大的干擾電壓，但可供出的能量卻很小，只能形成很微弱的電流。而光電耦合器件輸入端的發(fā)光二極管只有在通過一定的電流時(shí)才能發(fā)光。因此，即使是電壓幅度很高的干擾，由于沒有足夠的電量，不能使發(fā)光二極管發(fā)光，從而被它壓制掉了。 C、光電耦合器件的輸入輸出間是用光耦合的，且這種耦合又是在一個(gè)密封光管內(nèi)進(jìn)行的，因而不會(huì)受到外界光的干擾。 D、光電耦合器件的輸入輸出間的寄生電容很?。ò銥?.52pF），絕緣電阻又非常大（一般為10111013），因而輸出系統(tǒng)的內(nèi)的各種干擾噪音很難通過光電耦合器件反饋到輸入系統(tǒng)中去。 5、光電耦合器件的應(yīng)用 A、在代替脈沖變壓器耦合信號(hào)時(shí)，可以耦合從零頻

30、到幾兆赫的信息，且失真很小，這使變壓器相形見絀； B、在代替繼電器使用時(shí)，能克服繼電器在斷電時(shí)反電勢(shì)的泄放干擾及在大振動(dòng)大沖擊下觸點(diǎn)抖動(dòng)等問題； C、能把不同電位的兩組電路互聯(lián)起來，從而完成電平匹配、電平轉(zhuǎn)移等功能； D、光耦合器件的輸入端的發(fā)光器件是電流驅(qū)動(dòng)器件，通過光與輸出端耦合，抗干擾能力很強(qiáng)，在長(zhǎng)線傳輸中用它作為終端負(fù)載時(shí)，可以大大的提高信息在傳輸中的信噪比； E、在計(jì)算機(jī)主體運(yùn)算部與輸入、輸出之間，用光電耦合器件作為接口部件，將會(huì)大大增加計(jì)算機(jī)的可靠性。 F、光電耦合器件的飽和壓降比較低，在作為開關(guān)器件使用時(shí)，有晶體管開關(guān)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)； G、在穩(wěn)壓電源中，它作為過電流自動(dòng)保護(hù)器使用時(shí)，使保護(hù)電路既簡(jiǎn)單又可靠。 3.6 各種光電檢測(cè)器件的性能比較 在動(dòng)態(tài)特性方面，即頻率響應(yīng)與時(shí)間響應(yīng)，以光電倍增管和光電二極管(尤其是PIN管與雪崩管)為最好； 在光電特性方面(即線性)，以光電倍增管、光電二極管、光電池為最好； 在靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為最好； 輸出電流大的器件，有大面