光電信號檢測電路設(shè)計教材

1、1第第7 7章章 光電信號檢測電路光電信號檢測電路7.17.1光電檢測電路的設(shè)計要求光電檢測電路的設(shè)計要求7.27.2光電信號輸入電路的靜態(tài)計算光電信號輸入電路的靜態(tài)計算7.37.3光電信號檢測電路的動態(tài)計算光電信號檢測電路的動態(tài)計算7.47.4光電信號檢測電路的噪聲光電信號檢測電路的噪聲7.57.5前置放大器前置放大器7.67.6光電檢測電路舉例光電檢測電路舉例2概述n光電檢測電路組成光電檢測電路組成n對檢測電路的要求對檢測電路的要求q靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力q快速的動態(tài)響應(yīng)能力快速的動態(tài)響應(yīng)能力q最佳的信號檢測能力最佳的信號檢測能力q長期工作的穩(wěn)定性和可長期工作的穩(wěn)定性和可靠性

2、靠性輸入電路前置放大器光電器件光源(成像系統(tǒng))檢測對象n檢測電路設(shè)計步驟檢測電路設(shè)計步驟q電路靜態(tài)計算電路靜態(tài)計算q電路動態(tài)計算電路動態(tài)計算q噪聲估算噪聲估算q放大電路設(shè)計放大電路設(shè)計光信號31.1.靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力表示光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)弱的參數(shù)，通常采用光電靈敏度（或表示光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)弱的參數(shù)，通常采用光電靈敏度（或稱傳輸系數(shù)、轉(zhuǎn)換系數(shù)、比率等），即稱傳輸系數(shù)、轉(zhuǎn)換系數(shù)、比率等），即單位輸入光信號的單位輸入光信號的變化量所引起的輸出電信號的變化量變化量所引起的輸出電信號的變化量。2.2.快速的動態(tài)響應(yīng)能力快速的動態(tài)響應(yīng)能力指對檢測系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)動態(tài)響應(yīng)都有要求。特別是在光通信指

3、對檢測系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)動態(tài)響應(yīng)都有要求。特別是在光通信等領(lǐng)域，對動態(tài)響應(yīng)速度的要求甚至是第一位的。等領(lǐng)域，對動態(tài)響應(yīng)速度的要求甚至是第一位的。光電檢測光電檢測電路應(yīng)滿足信號通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘柕目祀娐窇?yīng)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?yīng)速響應(yīng)。3.3.最佳的信號檢測能力最佳的信號檢測能力信號檢測能力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主要是指光電檢測電路輸出信號中有用信號成分的多少，分的多少，常用信噪比、信號功率等參數(shù)表征常用信噪比、信號功率等參數(shù)表征。4.4.長期工作的穩(wěn)定性和可靠性長期工作的穩(wěn)定性和可靠性如各種光電轉(zhuǎn)換器件對溫度穩(wěn)定性均有要求。如

4、各種光電轉(zhuǎn)換器件對溫度穩(wěn)定性均有要求。47.1 緩變光信號檢測電路設(shè)計緩變光信號檢測電路設(shè)計n類型類型q恒流源型光電檢測電路的靜態(tài)計算q光伏型光電檢測電路的靜態(tài)計算q可變電阻型光電檢測電路的靜態(tài)計算n緩變信號緩變信號q直流電路檢測q設(shè)計重點：靜態(tài)計算（確定電路的靜態(tài)工作狀態(tài)）q計算方法：圖解法、分段線性化解析法5恒流源型器件光電信號輸入電路恒流源型器件光電信號輸入電路恒流源特性：輸出電流隨器件端電壓增大而變化不大。相應(yīng)器件：光電管、光電倍增管、工作在反向偏置電壓狀態(tài)下的光電二極管、光電三極管。恒流源型光電檢測器件的伏安特性伏安特性61、圖解計算法( )bLU IUIR包含非線性元件的串聯(lián)電路的

5、圖解法對恒流源器件的輸入電路進(jìn)行計算：Q點為輸入電路的靜態(tài)工作點；當(dāng)輸入光通量改變時，在負(fù)載電阻上會產(chǎn)生變化的電壓信號輸出。7圖解法特別適用于大信號狀態(tài)下的電路分析。例如在大信號檢測在大信號檢測情況下可以定性地看出輸出信號情況下可以定性地看出輸出信號的波形畸變。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合理地選擇電路參數(shù)使之能可靠地動作，選擇電路參數(shù)使之能可靠地動作，同時保證不使器件超過其最大工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作電流、最大工作電壓和最大耗散功率散功率。8（a），減小負(fù)載（斜率增大），使輸出信號電流增大而電壓減小。負(fù)載的減小受到最大工作電流和

6、功耗的限制；過大的負(fù)載，使負(fù)載線越過轉(zhuǎn)折點M進(jìn)入非線性區(qū)，使信號失真。（b），增大偏置電壓使輸出信號電壓幅度增大，改善線性度，但功耗隨之增大，且可能使光電二極管反向擊穿。92、解析計算法分段折線化伏安特性轉(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10( ,)dpIf UIIGUS 設(shè)輸入光功率為P，對應(yīng)的光電流為Ip，則/pSIP線性區(qū)內(nèi)伏安特性可表示為工作點附近的微小光通量變化？P262（7-4）11在輸入光通量變化范圍有限已知的條件下，解析法的計算步驟如下：（1）確定

7、線性工作區(qū)由對應(yīng)最大輸入光通量最大輸入光通量max的伏安特性彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點M。再確定相應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓U0和初始電導(dǎo)值G0。000maxG UGUSmax00SUGGmax00SGGU12000maxG UGUS13（2）計算負(fù)載電阻和偏置電壓為保證最大線性輸出最大線性輸出條件，負(fù)載線和max對應(yīng)的伏安曲線的交點不能低于轉(zhuǎn)折點M。設(shè)負(fù)載線通過M點，則000()bLUU GG UUb已知，得GL：0max0max000(1)LbbUSGGSGUUUGGGL（RL） 已知，可得偏置電源電壓Ub：max00()()LbLSGGUG GG14000()bLUU GG Umaxmaxmin()LbG

8、UUGUS H點：M點：00max()LbG UUGUS 15計算過程：光通量由min變化到max時，輸出電壓幅度為U=Umax-U0 （3）計算輸出電壓幅度maxmaxmin()LbG UUGUS H點M點00max()LbG UUGUS 聯(lián)立求解兩式，得maxminLLUSSGGGG（負(fù)載減小，輸出電壓幅值減?。?6（4）計算輸出電流幅度maxminLIIIGU 1/LLIGUSG G 通常GLGIS （負(fù)載減小，輸出電流幅值增大）17（5）計算輸出電功率由功率關(guān)系P=U I，得22()LLLSPGUGGG18光伏型器件光電信號輸入電路光伏型器件光電信號輸入電路伏安特性：一組以入射光功率為

9、參量的曲線簇，分布在伏安坐標(biāo)系的第四象限。器件的端電壓和電流的方向相反，對外電路形成電勢，可對負(fù)載供電。包括光電池和工作在光電池狀態(tài)的光電二極管。19201、光伏型器件輸入電路的形式主要有以下3種形式：212、無偏置輸入電路的靜態(tài)計算根據(jù)等效電路建立回路方程LUIR/0/0(1)(1)TLTU UpIRUpIII eII e22根據(jù)圖解法確定靜態(tài)工作點Q233、根據(jù)負(fù)載電阻分析光電池工作狀態(tài)：負(fù)載較小情況下，光通量較低時，光通量與負(fù)載上電流、電壓近似線性。24（1）短路或線性電流放大區(qū)域后續(xù)電流放大級作為負(fù)載，從光電池中吸取最大的輸出電流，要求負(fù)載電阻或者后續(xù)放大電路的輸入阻抗盡可能?。ㄝ敵鲭?/p>

10、流近似短路電輸出電流近似短路電流，大且線性好，噪聲電流低，信噪比高，實流，大且線性好，噪聲電流低，信噪比高，實用弱信號檢測用弱信號檢測）。/00(1)|LTLIRUpRscIII eISIS 2526（2）空載電壓輸出區(qū)域，是一種非線性電壓變換狀態(tài)。此時光電池通過高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大電高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大電路連接路連接，相當(dāng)于輸出開路。000ln(1)lnlnppocTTIIKTSUUUqIII開路電壓最大值受勢壘高度限制，通常為0.450.6V。較小的光通量可引起電壓輸出較大，對弱光檢測有利，盡管線性不好，可用作開關(guān)元件27（3）線性電壓輸出區(qū)域在串聯(lián)的負(fù)載電阻上能得到與輸入光通

11、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，但增大到一定臨界值時，輸出信號將發(fā)生非線性畸變。如何確定負(fù)載電阻的臨界值？20111()()2!3!LLLTTTIRIRIRISIUUU1LTIRU當(dāng) 時，有2801LTSII RU由于I0LRRbLLUIR負(fù)載電流與光敏電阻阻值無關(guān)，近似保持常數(shù)。此狀態(tài)又叫做恒流偏置狀態(tài)。31（2）恒壓偏置負(fù)載電阻比光敏電阻小很多時，即 LRRLbLUSU R可以認(rèn)為加在光敏電阻上的電壓近似為電源電壓Ub，與R無關(guān)。此狀態(tài)又叫做恒壓偏置狀態(tài)。322、電橋輸入電路33選擇兩個性能相同的熱敏電阻RT作電橋測量臂電阻，普通電阻作為補(bǔ)償臂電阻。1221TTR

12、RR R無外來輻照時，調(diào)節(jié)使電橋平衡，有電橋輸出信號為0。0OU34101TRRR有外來輻照時，引起電阻溫升，有1TR為熱敏電阻01R為暗電阻電橋平衡破壞，輸出電壓為2001122()()bTU RRURRR RR此式可進(jìn)一步簡化。35n很多場合下,光信號是隨時間變化的，例如瞬變信號或各種形式的調(diào)制光信號n交變光信號的特點交變光信號的特點是信號中包含著豐富的頻率分量;當(dāng)信號微弱時，需要多級放大n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(shè)計交變光信號檢測電路時，需要解決下述兩項動態(tài)計算問題 q1）避免非線性失真避免非線性失真:確定動態(tài)工作狀態(tài)，使在交變光信號作用下負(fù)載上能獲得不失真的、線

13、性電信號輸出。q2）避免線性失真（頻率不失真，包括幅頻和相頻）避免線性失真（頻率不失真，包括幅頻和相頻）: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。 36一、輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計算一、輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計算 n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 n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 n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 7.27.2、交變光信號檢測電路設(shè)計交變光信號檢測電路設(shè)計37光電二極管交流檢測電路n首先確定在交流光信號作用下電路的最佳

14、工作狀態(tài)：確定直流工作點Qq設(shè)輸入光照度為eE0Emsintq等效交流負(fù)載為Rb和RL的并聯(lián),是交流負(fù)載線的斜率的倒數(shù)q交流負(fù)載線MN過轉(zhuǎn)折點MqMN與E=E0時的伏安特性曲線的交點為靜態(tài)工作點Qn過Q點作直流負(fù)載線可以圖解得到偏置電阻Rb和電源Ub的值n計算負(fù)載RL上的輸出電壓、輸出電流和輸出功率值n計算最大功率輸出條件一、輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計算一、輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計算交流負(fù)載線直流負(fù)載線bLmmGGIUmmEmgUESIgGGESULbmEm222121gGGESGUIPLbmELmLm最大功率輸出下的負(fù)載電阻gGGRbLL001/mEmLmmmLLmELmLmEmESUPIUG

15、GESPGESU2122182002000200/)(阻抗匹配下（最阻抗匹配下（最大功率輸出）大功率輸出）的峰值電壓、功率、電流38n靜態(tài)工作點Q的電流值 由直流負(fù)載線有n此外，阻抗匹配時，Q點電壓n比較可得：阻抗匹配即對應(yīng)最大輸出功率下的直流偏置電導(dǎo)bEbbQbQbQEQQGgESUGUGUUIESgUI00)(MbmEMmQUgGSSUUU)(20MMbMmEbUUUgUEESG)()(22200交流負(fù)載線直流負(fù)載線39光電二極管交流檢測電路光電池交流檢測電路40光電池交流檢測電路n圖圖a是光電池交流檢測電路。圖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。是處于線性區(qū)域的工作特

16、性圖解。圖中直流負(fù)載是通過原點，斜率圖中直流負(fù)載是通過原點，斜率為為Gb的直線的直線n當(dāng)輸入光照度為eE0Emsint時，光電池特性曲線中對應(yīng)于EE0的曲線與直流負(fù)載線相交于Q點，Q是靜態(tài)工作點 一、輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計算一、輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計算n對于GLGbGL0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 n偏置電阻 Rb0RL02UM/SE(2E0+Em)nM是交流負(fù)載線與最大輸入光照度eE0Em對應(yīng)的光電池曲線的交點41二、光電檢測電路的頻率特性n頻率特性反映檢測系統(tǒng)的響應(yīng)能力n分析法：時域法、頻域法n與光電器件本身特性、檢測電路形式、阻容參數(shù)有關(guān)n頻譜分析以傅里葉變

17、換為基礎(chǔ)n描述頻率特性的參數(shù)：通頻帶F， F越大，信號通過能力越強(qiáng)421光電檢測電路的高頻特性n以反向偏置光電二極管交流檢測電路為例n微變等效電路圖 二、光電檢測電路的頻率特性n電路方程，與二極管參數(shù)Cj和g有關(guān)LbLLLjjgEbjgLUGiGiCjigieSiiii)/(,/1)/(bLjLLLbLEjbLELGGgCRUijGGgeSCjGGgeSUn不同工作狀態(tài)下的簡化形式 q給定輸入光照度，在負(fù)載上取最大功率輸出時：RL=Rb,g2)1 (/)(210jTTTKjWjHn2)中頻段(12)n3)低頻段(1)1 ()(10TjjKTjW常數(shù)常數(shù)10/)(TTKjWjM453光電檢測電路

18、頻率特性的設(shè)計n電路設(shè)計的基本要求 q非線性不失真 q頻率不失真 n電路通頻帶應(yīng)足以覆蓋光信號的頻譜分布電路通頻帶應(yīng)足以覆蓋光信號的頻譜分布n設(shè)計內(nèi)容q對輸入光信號進(jìn)行傅里葉分析,確定頻譜分布q確定多級光電檢測電路的允許通頻帶和上限截止頻率q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) 二、光電檢測電路的頻率特性46頻率特性設(shè)計實例n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(fù)頻率f=200kHz，脈寬t0=0.5s，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) n求解步驟求

19、解步驟n1.分析信號頻譜 信號頻譜間距(基波):f=1/T=200kHz 信號帶寬:F=1/T0=2MHz 選取高頻截止頻率: fHC=1.5F=3MHz 低頻截止頻率: fLC=200HztTjnnntTjnneTtnTtneFtf2002)sin()(n2.設(shè)計各級聯(lián)電路的帶寬 電路組成:輸入電路+兩級放大電路 每級高頻及低頻截止頻率HzfMHzffnLCnHCnHC102612312311/47n求解步驟求解步驟n3.計算輸入電路參數(shù) 負(fù)載電阻： RL1/2fHC(Cj+C0)3.3k ，選為2k 偏置電阻：取Rb(1020)RL，即Rb10RL20k 耦合電容C：C1/2(RL+Rb)

20、fLC=0.07F,取為C1F 第一級耦合電容可適當(dāng)增大10倍，取電容值為10F n4.選擇放大電路 選用二級通用的寬帶運(yùn)算放大器，放大器輸入阻抗小于2k，放大器通頻帶要求為6MHz，取為10MHz 電路見圖(c)4849例題：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所示。脈沖重復(fù)頻率f=200kHz，脈寬t0=0.5us，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)。解：（1）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的方波脈沖信號，其頻譜是離散的，譜線的頻率間隔為1/1/52

21、00fTskHz 頻譜包絡(luò)線零值點的分布間隔為01/1/0.52FtsMHz50選取頻譜包絡(luò)線的第二峰值作為信號的高頻截止頻率fHC。200153HCfkHzMHz此時可認(rèn)為是不失真?zhèn)鬏?。頻譜的零頻分量確定信號的直流成分，不影響變化的波形。但為采用交流放大可利用阻容耦合電容隔直?？蛇x取低頻截止頻率為200Hz，則檢測放大器的總頻帶寬由fHC=3MHz, fLC=200Hz決定。帶寬近似為F3MHz。51（2）確定級聯(lián)各級電路的頻帶寬根據(jù)設(shè)計要求，檢測電路由輸入電路和兩級相同的放大器串聯(lián)而成。設(shè)3級帶寬相同，則相同的n級級聯(lián)放大器的高頻截止頻率為fnHC(1/ )21nnHCHfffH為單級高頻

22、截止頻率。(1/ )(1/3)36()2121nHCHnffMHz52類似地，單級低頻截止頻率53n噪聲特點：隨機(jī)性(振幅和相位)n處理方法：統(tǒng)計分析n噪聲源q外部噪聲：外部條件變化引起的，可采取抗干擾措施改善或消除q內(nèi)部噪聲：光電檢測器件和檢測電路器件本身帶來的，無法消除n噪聲干擾的分析分析和微弱信號的提取:核心問題q噪聲估算估算q提高信噪比信噪比,及確定最小輸入光功率最小輸入光功率54一、檢測電路的噪聲等效處理一、檢測電路的噪聲等效處理 n熱噪聲熱噪聲q電子的無規(guī)則熱運(yùn)動形成的瞬時無規(guī)則電流q電子運(yùn)動均方速率與絕對溫度成正比21)(42ffTdffRKTU純電阻時fKTRUT 42RfKT

23、IT/42溫度一定時溫度一定時,熱噪聲只與電阻和通帶有關(guān)熱噪聲只與電阻和通帶有關(guān)(與頻率無關(guān)與頻率無關(guān))。帶寬愈大。帶寬愈大,噪聲功率噪聲功率愈大。同時，通頻帶對白噪聲有抑制作用。愈大。同時，通頻帶對白噪聲有抑制作用。n散粒噪聲散粒噪聲(檢測器件及晶體管檢測器件及晶體管)q光輻射中光子到達(dá)率和由它激勵形成的光電流的隨機(jī)起伏光電流的隨機(jī)起伏所造成的q散粒噪聲的量值不取決于溫度，而由流過器件的平均電流平均電流決定 fqIIDCn 22噪聲電流及負(fù)載電阻上的電壓的有效值為(與頻率無關(guān))fqIIDCn2fqIRRIUDCnn255一、檢測電路的噪聲等效處理一、檢測電路的噪聲等效處理 dffRCRKTd

24、ffRKTUT0202)2 (14)(4n并聯(lián)阻容電路(電阻R和電容C并聯(lián))q合成電阻：R(f) = R/1+(2fRC)2 q噪聲電壓有效值 q變換積分變量使tg2fRC，有 )4/(4/24202RCKTRCKTdRCKTRUTq噪聲等效帶寬fe：fe1/4RC 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fe 56一、檢測電路的噪聲等效處理一、檢測電路的噪聲等效處理 n噪聲組成：光電器件噪聲、電路器件噪聲n等效噪聲電路：為了計算方便，將各種器件噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式 n電阻等效電路q簡單電阻：由熱噪聲電流源iSQRT（4kTf

25、/R）和電阻并聯(lián)q合成電阻：綜合噪聲電流等于合成電阻提供的噪聲電流 iSQRT（4kTf/R），R=R1+R2(串聯(lián))，或R=R1R2/(R1+R2)(并聯(lián))q更復(fù)雜電路，應(yīng)先將所有電阻合成，畫出簡化電路，然后再確定噪聲等效電流源57n噪聲估算目的目的q確定器件和電路的固有噪聲電平q計算信噪比q估算出為保證可靠檢測所必需的最小輸入光功率最小輸入光功率值 n噪聲估算的具體步驟步驟是q首先確定檢測器件和前級電路的噪聲源；q其次計算等效電阻和復(fù)合阻抗下的噪聲等效帶寬，畫出檢測電路的噪聲等效電路；q最后根據(jù)噪聲等效電路計算噪聲輸出電壓、信噪比和最小輸入光功率值。 二、典型光電檢測電路的噪聲估算二、典型

26、光電檢測電路的噪聲估算 58光電倍增管檢測電路的噪聲估算光電倍增管檢測電路的噪聲估算n光電倍增管陽極電流的散粒噪聲有效值 fqMIIANA2RfKTIn/4n負(fù)載電阻R上的熱噪聲電流n負(fù)載電阻上總的噪聲輸出電流 fRfKTqMIIAn)/42(n閾值光通量時有IA00，此時的總噪聲電流INm取決于暗電流Id fqMIIdNm2n負(fù)載電阻R上的噪聲輸出電壓 RfqMIUdNm2n負(fù)載電阻R上有并聯(lián)電容C時的 噪聲等效帶寬ffe1/4RCn陽極輸出總信噪比SNRA是直流光電流IA與噪聲電流有效值IN之比值 fqMIISNRAAA2n靈敏閾smin是暗電流噪聲電流有效值INm與陽極靈敏度之比值fqM

27、ISSIdAANms21minn比靈敏閾FAssmin*5960作業(yè)tWWsin35題1有一2DU型光電二極管,其電流靈敏度 ,結(jié)間電導(dǎo)G=0.005S,當(dāng)輸入光通量 ,曲線轉(zhuǎn)折電壓UM=10V時,若該輸入電路與放大器相連,用電源電壓Ub=40V,試求:(1)取得最大輸出功率時的直流偏置電阻Rb和放大器輸入電阻RL?(2)計算能向放大器提供的電流、電壓和功率?WASI/5 . 061題2某光電檢測輸入電路的負(fù)載電阻 ,電路通頻帶 試計算：（1）300K工作時負(fù)載電阻上的熱噪聲電壓（2）若使噪聲電壓不超過 ，此時的等效噪聲帶寬 應(yīng)為多少？ （3）求出需并聯(lián)多大的電容器？（4）求出這一檢測電路的時

28、間常數(shù)和上限截止頻率kRL100kHzf100VUT2 . 0ef624.54.5前置放大器前置放大器63646566674.64.6光電檢測電路舉例光電檢測電路舉例68補(bǔ)充：光電開關(guān)先舉一個簡單例子：69光幕傳感器70光電開關(guān)的定義：以光源為介質(zhì)，應(yīng)用光電效應(yīng)，根據(jù)當(dāng)光源受物體遮蔽或發(fā)生反射、輻射和遮光導(dǎo)致受光量變化來檢測對象的有無、大小和明暗，而產(chǎn)生輸出信號的開關(guān)元件。光電開關(guān)包括幾種類型，自身不具備光源，利用被測物體發(fā)射的光的變化量進(jìn)行檢測的；利用自然光對光電開關(guān)的照射，物體遮蔽自然光產(chǎn)生的關(guān)變化量；光電開關(guān)自身具備光源，發(fā)射的光源對被檢測物體反射、吸收、和透射光的變化量進(jìn)行檢測。常用的

29、光源為紫外光、可見光、紅外光等波段的光源，光源的類型有燈泡、LED、激光管等；輸出信號有開關(guān)量或模擬量和通訊數(shù)據(jù)信息等。71光電開關(guān)的叫法，主要是指輸出為開關(guān)量的開關(guān)元件。光電傳感器的叫法，涵蓋了輸出為開關(guān)量、模擬量、通訊數(shù)據(jù)等情形。目前市面光電開關(guān)的叫法有分光源、檢測形式、用途、結(jié)構(gòu)等命名的。如：利用紅外光源的叫紅外光電開關(guān)、紅外線光電開關(guān)、紅外線光電傳感器等。利用自然光的叫光控開關(guān)、光電繼電器等。利用激光為光源的叫激光光電開關(guān)、激光光電傳感器等。利用檢測形式叫熱金屬檢測器，俗稱熱檢等。利用用途的叫光電距離傳感器、安全光幕傳感器等。利用結(jié)構(gòu)的叫光幕傳感器等。72一、一、光電開關(guān)光電開關(guān)原理與

30、分類原理與分類1：按檢測形式的分類：按檢測形式的分類（1）對射式對射式是由一個發(fā)射器與一個接收器相對配置的，發(fā)射器發(fā)射出的光指向接收器，發(fā)射器與接收器之間組成一個閉合光路，通過對光路的光被遮斷或光衰減來進(jìn)行檢測的一種檢測形式。這種檢測形式作用距離比較長，但需要一個發(fā)射器并需要配電；在某些應(yīng)用場合比如空間狹小，不合適配電的運(yùn)用上比較麻煩。如圖1a： 7374發(fā)射器與接收器一體化，光傳輸為直流方式的非調(diào)制信號，主要小型縫隙光電開關(guān)，如U型、C型的槽型光電開關(guān)。如圖1b: 75（2）直接反射式這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射器發(fā)射的光直接照射到被檢測物上，根據(jù)反射光的變化情況來進(jìn)行檢測的。可

31、以說是近似人的眼睛的一種檢測器。與對射式相比作用距離比較短，只需要單線配電即可，屬于通用檢測器。如圖2： 76（3）鏡面反射式把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，光電開關(guān)對置反角矩陣射鏡，發(fā)射器的光被反射鏡后反饋回接收器，光電開關(guān)與角矩陣反射鏡（多棱鏡）形成閉合光路，通過對光路的光被遮斷或光衰減來進(jìn)行檢測的一種檢測形式，這種檢測形式作用距離比對射式短，比直接反射式較長。只需要單線配電即可，由于采用反射鏡光軸的調(diào)整比對射式容易；反射鏡由多棱鏡角矩陣板或微晶玻璃顆粒反射膜等。如圖3a： 7778具有M.S.R功能的反射器式光電開關(guān)，如果被檢測物是平面而且有光澤，則會產(chǎn)生誤動作，欲解決此問題，可采用M.S.R

32、功能，它的主要工作原理是基于角矩陣反射器能使偏振光方向改變90，采用互相垂直的偏振光膜片放在雙鏡頭前，所以使用角矩陣反射器，光路閉合。如果是平面鏡或反光率比較的物體（如：玻璃瓶等）不能改變偏振方向，由它阻擋而產(chǎn)生的反射光不能進(jìn)入受光器，因此它可以很容易被檢測到，從而解決了由它表面反射而它引起的誤動作問題。如圖3b: mirror shine remove7980（4）輻射光檢測形式通過對被檢測物體輻射出的光進(jìn)行檢測的形式。如用于鋼鐵行業(yè)的對加熱的鐵輻射出的紅外線進(jìn)行檢測的光電開關(guān)。如圖4： 81（5）限定反射式這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射器與接收器形成一個角度，發(fā)射光軸與接收光軸交

33、叉區(qū)域靈敏度最佳。如圖5： 82（6）夾角式這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射器與接收器形成一個角度，發(fā)射光聚焦點與接收光聚焦交叉區(qū)域檢測物體，用于精細(xì)檢測，如標(biāo)記檢測等。如圖6： 83（7）同軸檢測式（單鏡頭）這種方式是把發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，發(fā)射光通過鍍膜的半透明鏡片45折射后通過鏡頭聚焦發(fā)射出去，接收光線通過聚焦鏡頭入射到接收器，主要用于標(biāo)志檢測。目前主流的顏色傳感器、標(biāo)志傳感器大多采用這樣方式。 84（8）光導(dǎo)纖維式光導(dǎo)纖維簡稱光纖，目前光纖式光電開關(guān)的光纖基本是兩種，一種塑料光纖，價位比較低，普通檢測使用；另一種玻璃光纖，價位比較高，一些檢測精度比較高的場合。：對射式，把光纖

34、套入發(fā)射器，把光纖套入接收器，光纖檢測頭相對安置。85：直接反射式，發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，把光纖套入發(fā)射器與接收器（光纖放大器），光纖頭為兩根光纖并行，直接檢測物體。86：同軸反射，發(fā)射器與接收器構(gòu)為一體，把光纖套入發(fā)射器與接收器（光纖放大器）。光纖頭為兩根光纖并為一根的形式，發(fā)射光纖在中間，接受光纖圍著其圓周排列。可以直接反射與鏡面反射，取決于光纖放大器的光學(xué)結(jié)構(gòu)。872：按檢測方法的分類按檢測方法的分類（1）光量法目前大多數(shù)光電開關(guān)用來檢測物體有無的均為光量方式，既光源受物體遮蔽或發(fā)生反射、輻射和遮光導(dǎo)致受光量變化來檢測對象的有無。（2）三角測距法光量方式容易受到物體表面的光潔度、粗糙度

35、、顏色所影響，因此在一些要求比較高的場合就需要采用距離法檢測。（3）激光測量法由激光器對被測目標(biāo)發(fā)射一個光信號， 然后接受目標(biāo)反射回來的光信號，通過測量光信號往返經(jīng)過的時間， 計算出目標(biāo)的距離。883：按光源種類的分類光源目前采用的大多是發(fā)光二極管（LED），根據(jù)不同使用目的的區(qū)別使用。（1）白熾燈式（可見光）用于需要白光的標(biāo)志檢測器，由于壽命與抗震性能，現(xiàn)在使用比較少。（2）發(fā)光二極管（LED）式（可見光、近紅外光）具有調(diào)制容易、壽命長、小型、功耗小、抗震等優(yōu)點是光電開關(guān)理想的光源，可用于各種用途。（3）熒光式（可見光）主要用于需要長度的光電系統(tǒng)（圖像傳感器等）89（4）紫外光式（不可見光）

36、通過照射紫外線用于檢測發(fā)生可見光的物體（熒光整理疵點、食品中的異物等）。（5）氣體激光式（可見光）光束比較強(qiáng)，用于探傷系統(tǒng)、條形碼系統(tǒng)、及強(qiáng)光衰減大的場合，如蒸汽、煙霧、火焰等場合。（6）半導(dǎo)體激光式（紅光、近紅外光）具有較強(qiáng)的透射率和容易調(diào)制的特性，用于如蒸汽、煙霧、火焰等場合鋼鐵行業(yè)與安防。904：按光源調(diào)制種類的分類按光源調(diào)制種類的分類（1）直流光式使發(fā)射器的光線為不變的直流光，包括白熾燈和用直流驅(qū)動的發(fā)光二極管。這種方式有線路簡單、響應(yīng)速度快的特點，但是抗光干擾比較弱，目前僅在較短的距離檢測中使用。91（2）調(diào)制式、脈沖調(diào)制式使發(fā)射器發(fā)的出光線為具有一定頻率的脈沖波，一般稱為調(diào)制光，采

37、用這種方式除了可以獲得峰值很高的光脈沖功率外，還可以對接收器輸出采用具有頻率選擇的交流放大器進(jìn)行放大，從而減少周圍光線和電氣噪聲的影響，這是目前國內(nèi)外使用最廣的一種方式。機(jī)械旋轉(zhuǎn)調(diào)制式對光源用棱鏡或轉(zhuǎn)盤孔旋轉(zhuǎn)后，提取脈沖信號，如用于區(qū)域檢測和熱金屬輻射的掃描檢測等。、掃描式將多個發(fā)射器與接收器組合，通過同步信號逐一掃描，防止相互干擾。如用于光幕傳感器。925：按供電種類的分類按供電種類的分類（1）直流式采用直流電壓供電的形式，一般大多采用12-24V（10-30V）的直流電壓的供電。（2）交流式采用交流電壓供電，電壓范圍為90-240V交流電，滿足110VAC與220VAC場合的供電。（3）直

38、流交流混合式直流電壓與交流電壓都可以直接接入同一個供電回路的形式，直流電壓范圍12-240V，交流電壓范圍24-240V，此形式適應(yīng)性比較靈活，不需要考慮配電的問題。936：按輸出種類的分類：按輸出種類的分類（1）三極管NPN輸出（2）三極管PNP輸出（3）三極管NPN與PNP混合輸出（4）固態(tài)隔離無觸點輸出（5）繼電器觸點輸出（6）可控硅輸出（7）模擬電壓（8）模擬電流（9）數(shù)據(jù)信號947：按結(jié)構(gòu)種類的分類按結(jié)構(gòu)種類的分類(1)內(nèi)藏放大器式即把發(fā)光、感光元件和放大電路、信號處理電路、開關(guān)驅(qū)動電路裝配在一個殼體里，接通直流電源就可以獲取ON-OFF開關(guān)輸出，不需要專用放大器，抗噪音能力強(qiáng)，壽命

39、長，電纜線可延長等優(yōu)點，是主流的一種光電開關(guān)。（2）放大器分離式這是種早期采用比較多的方式，發(fā)光、感光元件裝在探頭內(nèi)，用屏蔽線與專用放大器（光電開關(guān)主體）連接。主要是探頭可以安裝在比較狹小的空間對比較小的物體進(jìn)行檢測，但是有抗噪聲能力的問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)藏放大器式的光電開關(guān)的體積越來越??；這種形式采用相對較少，尤其是光纖傳感器的發(fā)展。95（3）光纖式這種光電開關(guān)是放大器分離式與內(nèi)藏放大器式結(jié)合的產(chǎn)品，通過光纖才傳輸光信號，光電開關(guān)主體上套上光纖線，另一頭光纖探頭可以對被檢測物體進(jìn)行檢測，其優(yōu)點光纖探頭比較小，可以檢測比較微小的物體，光纖線傳輸?shù)闹皇枪庑盘?，所以不用考慮放大器分離式那樣需要

40、考慮抗噪聲能力的問題。（4）自控式這種光電開關(guān)是具有一定功能性的。把發(fā)光、感光元件和放大電路、信號處理電路、開關(guān)驅(qū)動電路、電源、繼電器等都裝配在一起，接上交流或直流電源就可以工作。同時還具有其他一些功能如動作信號的延時、光電開關(guān)的信號靈敏度調(diào)節(jié)等。 96二、二、光電開關(guān)特點光電開關(guān)特點：1、檢測距離長檢測距離長：與電感式接近開關(guān)相比，可以獲得很長的檢測距離，例如：對射型開關(guān)檢測距離可達(dá)數(shù)十米，反射已從幾厘米到幾米，由于是非接觸檢測，所以不損傷被測物，也不受其影響。2、檢測對象廣泛：因為是根據(jù)檢測對象的反射和透光檢測，所以不管是金屬、即使是玻璃、橡膠、木材、液體、氣體等幾乎都可以檢測。3、響應(yīng)速

41、度快響應(yīng)速度快：檢測介質(zhì)本身是高速的，因為幾乎不包含機(jī)械動作，因而可以獲得非常高的檢測速度。4、分辨能力高分辨能力高：因為光是直線傳播，且波長短，因而分辨率高，適用于微小物體和高精度位置檢測。975、容易取得規(guī)則的檢測區(qū)容易取得規(guī)則的檢測區(qū)：采用了透鏡等光學(xué)系統(tǒng)，可以比較容易的聚光、擴(kuò)散和折射，對應(yīng)不同的檢測對象和不同的使用環(huán)境，可以適當(dāng)?shù)倪x取具有某種檢測區(qū)域的產(chǎn)品。6、不受磁場和振動的影響不受磁場和振動的影響：檢測開關(guān)一般較多地安裝在具有較強(qiáng)磁場和振動的場所，從本質(zhì)上說，光電開關(guān)受其影響很少，因而能夠可靠的動作。7、利用光的特性檢測利用光的特性檢測：可以做色標(biāo)、形狀特征的選擇檢測。8、壽命長

42、壽命長：由于是非接觸檢測，所以壽命長，特別是用發(fā)光二極管做為光源，控制輸出采用無接點方式，壽命就更長。98光電開關(guān)有下述一些缺點：光電開關(guān)有下述一些缺點：1、透鏡容易受到粉塵和油污的污染，透鏡一旦弄臟，不僅使光束散亂，又擋住了一部分光，因而在惡劣環(huán)境下，必須采取切實可行的保護(hù)措施。2、周圍光線強(qiáng)弱對開關(guān)的影響，對于通常的照明光，目前光電開關(guān)幾乎不受影響，但是如果背景光太強(qiáng)以致超過數(shù)萬勒克斯，就會引起開關(guān)誤動作而造成損失。3、成本比其它檢測開關(guān)要高一些。 99三、三、光電開關(guān)應(yīng)用光電開關(guān)應(yīng)用方法方法1：輸入電源電壓的波動：輸入電源電壓的波動對直流輸入方式，也要注意其波動值，通?？梢栽试S10%。2

43、：配線：配線正確地進(jìn)行配線自然不用說，在有規(guī)定的情況下，使用電纜應(yīng)在規(guī)定的長度以內(nèi)，在配線上大多出防噪聲方面考慮，但為安全起見，還應(yīng)當(dāng)注意與動力線隔離，高壓線、動力線和光電傳感器的配線不應(yīng)放在同一配線管或用線槽內(nèi)，否則會由于感應(yīng)而造成（有時）光電開關(guān)的誤動作或損壞，所以原則上要分別單獨(dú)配線。3：響應(yīng)時間：響應(yīng)時間根據(jù)被測物體的大小與移動速度來選擇在響應(yīng)速度上有余力的光電開關(guān)，另外，關(guān)于對射式，由于光束的粗細(xì)對檢測有影響，因此要預(yù)先計算好對整個光束遮光的時間。1004：靈敏度：靈敏度關(guān)于設(shè)定距離，在環(huán)境惡劣的情況下，使用對射式時，必須留出4倍以上的余地，使用反射式時也必須留出1.5-2倍以上的余

44、地。5：保護(hù)措施：保護(hù)措施通常，對于直流供電的光電開關(guān)里都設(shè)有逆極性，交流無須要極性保護(hù)。直流供電的光電開關(guān)晶體管輸出的均有過流、短路保護(hù)。無接點輸出極的保護(hù)，通常采用續(xù)流保護(hù)晶體管的集電極。如果有大功率的感性負(fù)載最好還是外部設(shè)置電涌吸收電路給予保護(hù)。6：抗振與沖擊：抗振與沖擊若振動為0-2000次/分，復(fù)振寬度為2mm左右時，對一般光電開關(guān)沒什么影響，但是對采用白熾燈做光源需要采用不受振動的裝備結(jié)構(gòu)。1017：干擾光：干擾光由于光電開關(guān)的光源與調(diào)制的問題，因此抗干擾光的能力也是不同的；通常紅外光電開關(guān)抗環(huán)境光白熾燈光3,000Lux,太陽光10,000Lux。若強(qiáng)烈太陽光直接照射的，由于太陽光含有紅外波段的光線