光電探測(cè)器_偏置電路_課件PPT

1、第四章第四章 光電信號(hào)處理（電路）光電信號(hào)處理（電路）4.1光輻射探測(cè)過(guò)程的噪聲4.1 光電探測(cè)器（見(jiàn)前ppt）4.2光電探測(cè)器的偏置電路4.3光電探測(cè)器的放大電路4.4微弱信號(hào)檢測(cè)4.5鎖定放大器4.6取樣積分器4.7光子計(jì)數(shù)器4.2 光電探測(cè)器的偏置電路v偏置：在探測(cè)器上加一定的偏流和偏壓使探測(cè)器能在電狀態(tài)正常工作，輸出光電信號(hào)。v目的：取出光電信號(hào)。v偏置電路的設(shè)計(jì)依據(jù)：器件的伏安特性v同晶體管加電源和偏置電路選取適當(dāng)工作點(diǎn)的情況類(lèi)似。4.2.1光電導(dǎo)探測(cè)器（光電導(dǎo)探測(cè)器（PC）的偏置電路）的偏置電路4.2.2光伏探測(cè)器（光伏探測(cè)器（PV）的偏置電路）的偏置電路主要內(nèi)容主要內(nèi)容v探測(cè)器的

2、伏安特性分三種類(lèi)型：可變電阻型可變電阻型 光生電勢(shì)型光生電勢(shì)型 恒流型恒流型PC器件器件電阻型熱探測(cè)器電阻型熱探測(cè)器（加偏置，不分正負(fù)加偏置，不分正負(fù)） PV器件，器件，PMT（加反向偏置加反向偏置） 光電池光電池（不加偏置不加偏置 ） 4.2.1 光電導(dǎo)探測(cè)器的偏置一、基本偏置電路分析偏置電流：偏置電流：BlslVIRR設(shè)光照射在探測(cè)器上，其電阻值設(shè)光照射在探測(cè)器上，其電阻值變化為變化為RS，則電流變化即信號(hào)，則電流變化即信號(hào)電流電流iS為：為：2()BssllsVdRidIRRRS:光敏電阻；光敏電阻；RL：偏置電阻：偏置電阻輸出點(diǎn)A的直流電壓： ()BsAlsV RVRR信號(hào)電壓信號(hào)電壓

3、為：為： 02()BsBsssAlslsV dRV R dRVdVdVRRRR2()BlsslsV R dRVRR分析分析：a)VS與與VB的關(guān)系的關(guān)系 VBVS 但太大但太大,功耗功耗Pm損壞器件損壞器件 v例：化學(xué)沉淀PbS最大功耗Pm為0.2瓦每平方厘米,使用時(shí)要低于比值，取0.1瓦每平方厘米推導(dǎo)最大功耗Pm與VB的關(guān)系： Ad: 探測(cè)器光敏面積探測(cè)器光敏面積,平方厘米，平方厘米，RL，RS為電阻單位，為電阻單位，VBmax為為V單位單位 222max ()0.1()()BSBlmlSSlSlmdBSlSlSSV RVIPI RRRRRPAVRRRRRR22()()BlsBlsslsls

4、V R dRV RRVRRRRb）VS與RL的關(guān)系 令上式令上式=0=0則則 時(shí)，有極大值：時(shí)，有極大值： slRRmax4BsSlVRVR這時(shí)叫這時(shí)叫功率匹配功率匹配, , 信號(hào)電壓最大信號(hào)電壓最大。333()2()()(2)()()()lBslsBlssRlsBslslBssllslsVRRRV RRVRRVRRRRVRRRRRRR c) 最佳偏置條件的確定 在偏置電流在偏置電流Il一定條件下一定條件下,由上式可知：由上式可知：RlVs。但實(shí)際上當(dāng)負(fù)載電阻但實(shí)際上當(dāng)負(fù)載電阻RL時(shí)時(shí),為保持固定的為保持固定的Il,應(yīng)應(yīng)該該VB 2()BlsslsV R dRVRR二、光電導(dǎo)探測(cè)器三種特殊偏置

5、方式及其特點(diǎn)分析1.三種常用的偏置方式1）恒流偏置當(dāng)選定當(dāng)選定RLRs ，則，則 與與Rs無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。 即在工作過(guò)程中流過(guò)探測(cè)器的電流是一即在工作過(guò)程中流過(guò)探測(cè)器的電流是一恒定電流恒定電流。 BBllslVVIRRR當(dāng)選RLG，上式簡(jiǎn)化為，上式簡(jiǎn)化為I=SI=S5 5）計(jì)算輸出功率計(jì)算輸出功率 22()bbbSPIVGVGGG （二）光生電勢(shì)型探測(cè)電路的靜態(tài)計(jì)算 pIdIICV光電池等效電路) 1(expKTqVIIIdppIId ：與溫度有關(guān)的二極管與溫度有關(guān)的二極管結(jié)電流結(jié)電流 光電流光電流 開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓 電流電壓特性方程電流電壓特性方程 ) 1ln(dpocIIqKTV短路電流短路電

6、流 pscIIpdII dpocIIqKTVln當(dāng)ppII有有dpocIqKTIqKTVlnln則：則：ococVqKTVln得：得：mVqKT268 .25室溫時(shí)室溫時(shí) T=300K ，則，則 ：ln26mVVVococ利用上式，可在已知利用上式，可在已知、Voc時(shí)，計(jì)算另一時(shí)，計(jì)算另一 下的下的 Voc 1.無(wú)偏置的光電池電路： pIdII光電池等效電路LRIVLsRQQV光電池伏安曲線102LsLRR LsLRR LGtg11V2V由伏安曲線，對(duì)于給定的由伏安曲線，對(duì)于給定的0，只要選定，只要選定RL，工作點(diǎn)就能由負(fù)，工作點(diǎn)就能由負(fù)載線與光電池相應(yīng)伏安曲線的交點(diǎn)決定。該點(diǎn)的載線與光電池相

7、應(yīng)伏安曲線的交點(diǎn)決定。該點(diǎn)的IQ和和VQ即為即為RL上的輸出值。上的輸出值。由圖知：對(duì)應(yīng)相同的由圖知：對(duì)應(yīng)相同的=12，當(dāng)當(dāng)RL RLS時(shí)，呈非線性，在檢測(cè)電路中往往希望線性時(shí)，呈非線性，在檢測(cè)電路中往往希望線性。 v計(jì)算臨界電阻RLS由給定的由給定的max，利用，利用算出算出VOC。 取取dpocIIqKTVlnocsVV6 . 0VsVocVscISLsRtg11交于交于S點(diǎn)，得到臨界負(fù)載點(diǎn)，得到臨界負(fù)載RLS,即臨界電即臨界電阻阻RLS上的上的Vmax為為ocpLsVIRV6 . 0maxmax6 . 06 . 0ocpocLsVIVR則則 :v線性區(qū)工作分兩種情況：1）電流放大：要求R

8、L與后級(jí)放大器的輸入阻抗盡量小，使負(fù)載線靠近電流軸以得到最大的電流輸出。輸出電流變?yōu)镮SC和有良好的線性關(guān)系 pII2）電壓放大電壓放大：在保持良好線性情況下，有：在保持良好線性情況下，有最大的電最大的電壓輸出壓輸出，負(fù)載線可接近臨界負(fù)載線負(fù)載線可接近臨界負(fù)載線，則輸出電壓為，則輸出電壓為: LsRVv非線性區(qū):當(dāng)RL RLS時(shí)，輸入電路處于非線性區(qū)。這時(shí)，除在光電流較小范圍內(nèi)有一很窄的線性區(qū)外，V與的對(duì)數(shù)成正比。對(duì)于較小的，開(kāi)始的信號(hào)電壓輸出幅度較大。這一點(diǎn)對(duì)于探測(cè)弱信號(hào)特別有利。 例:光電池在光照度為100lx時(shí)，開(kāi)路電壓為VOC=180mV, ISC=80A ，求在由50lx增加到200

9、lx時(shí)，為保證線性輸出所需最佳負(fù)載電阻值和輸出電壓變化量。 解：（解：（1）計(jì)算）計(jì)算200lx下的開(kāi)路電壓下的開(kāi)路電壓 mVmVVVococ200100200ln26180ln)(26（2）計(jì)算線性區(qū)域內(nèi)光電池的電流響應(yīng)度）計(jì)算線性區(qū)域內(nèi)光電池的電流響應(yīng)度 lxAEIsc/8 . 0（3）計(jì)算無(wú)偏壓時(shí)最佳電阻和輸出電壓變化量）計(jì)算無(wú)偏壓時(shí)最佳電阻和輸出電壓變化量 750) /(6 . 0EVRocLmVRVL90750)50200(8 . 0四、PV器件動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)設(shè)計(jì)v交變光信號(hào)是指快速變化或各類(lèi)型調(diào)制光信號(hào)。v在分析和設(shè)計(jì)交變光信號(hào)探測(cè)電路時(shí)應(yīng)考慮到下述幾個(gè)問(wèn)題：1.確定探測(cè)電路動(dòng)態(tài)工作

10、點(diǎn)。2.確定光信號(hào)頻率不失真的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。3.滿足信號(hào)頻率要求下的信噪比。 輸入電路動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算v交變電路中首先建立直流工作點(diǎn)以獲得最大的輸出。v另一方面輸入電路與后續(xù)電路通常由阻容連接等多種方式實(shí)現(xiàn)耦合。v后續(xù)電路的等效輸入阻抗將和輸入的直流負(fù)載電阻相并聯(lián)組成交流負(fù)載。在設(shè)計(jì)和分析輸入電路時(shí)，這是不同于前述靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算的主要區(qū)別之一。 1.光電二極管交流探測(cè)電路如圖為反偏壓PD的交變光探測(cè)基本電路。PDbVbRLRC1）計(jì)算在已知偏壓）計(jì)算在已知偏壓Vb和光照度和光照度E時(shí)，時(shí)，負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL應(yīng)取多大應(yīng)取多大才才能獲得最大功率和線性電壓輸出。能獲得最大功率和線性電壓輸出。 設(shè)入射照

11、度變化：設(shè)入射照度變化： 光照度變化范圍光照度變化范圍: : 在在信號(hào)頻帶范圍信號(hào)頻帶范圍內(nèi)，耦合電容內(nèi)，耦合電容C C可以認(rèn)為是短路。可以認(rèn)為是短路。等效交流負(fù)載電阻：等效交流負(fù)載電阻：tEEEmsin0mEE 0LbRR /v假定交流負(fù)載線為MN，它過(guò)M點(diǎn)，斜率由RL/Rb決定。交流負(fù)載線與光照度E=E0對(duì)應(yīng)的伏安特性相交于Q點(diǎn)，則過(guò)Q點(diǎn)的斜率為Gb的直線即為直流負(fù)載線。 VT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVV mQVV )(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN為了充分利用器件的為了充分利用器件的線性區(qū)間，對(duì)應(yīng)的負(fù)線性區(qū)間，對(duì)應(yīng)的負(fù)載線應(yīng)通過(guò)特性曲

12、線載線應(yīng)通過(guò)特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。VT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVVmQVV)(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN2）計(jì)算）計(jì)算RL上的輸出功率上的輸出功率PL和電壓值和電壓值Vm交流負(fù)載上交流負(fù)載上的輸出功率為的輸出功率為:mmmmIVVIVIP212121Vm 、Im與與Em對(duì)應(yīng)的幅值對(duì)應(yīng)的幅值負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL上上輸出功率輸出功率22121mLLmLVGIVPVm是是RL上的電壓值。上的電壓值。 在在MHQ中，交流負(fù)載線斜率為：中，交流負(fù)載線斜率為： bLGG bLmmGGIV1由圖中幾何關(guān)系得: )()(0mEmQmQEESVVg

13、IIVT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVVmQVV)(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN0ESgVIEQQmmEmgVESIgGGESVbLmEm2)(2gGGESGPLbmELL得得: 將將PL對(duì)對(duì)GL求偏微分，得最大功率輸出條件為求偏微分，得最大功率輸出條件為: gGGbL則有：max2()EmLbS EVGg22max()()()88()bEmEmLbbGgS ES EPGgGg當(dāng)已知電源電壓當(dāng)已知電源電壓Vb時(shí)，時(shí)，根據(jù)動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)和靜態(tài)工作點(diǎn)重合于根據(jù)動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)和靜態(tài)工作點(diǎn)重合于Q點(diǎn)的條件點(diǎn)的條件，可計(jì)算出最大功率輸出條件下偏置電阻，可計(jì)算出

14、最大功率輸出條件下偏置電阻Rb。TQVQ中：中：bQbQGVVI)(0ESgVIEQQ且且比較可得比較可得 ：VT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVVmQVV)(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN最大功率輸出條件下最大功率輸出條件下偏置電阻偏置電阻Rb0bbEQbG VS EVGgVT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVVmQVV)(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN在最大功率輸出條件下，根據(jù)圖中幾何關(guān)系有MbmEMLQVgGESVVV)(2max比較兩式得，在比較兩式得，在最大功率輸出下的偏置電阻值最大功率輸出

15、下的偏置電阻值00(2)22()EmMbbMSEEgVGVV0bbEQbG VS EVGg002()(2)2bMbEmMVVRSEEgV2.光電池交流檢測(cè)電路 VQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 0靜態(tài)工作點(diǎn)：靜態(tài)工作點(diǎn)： 通過(guò)原點(diǎn)作直流負(fù)載線通過(guò)原點(diǎn)作直流負(fù)載線與與E=E0交點(diǎn)交點(diǎn)QbGtg1交流負(fù)載線交流負(fù)載線: 過(guò)過(guò)Q點(diǎn)，斜率為點(diǎn)，斜率為: )(1LbGGtg與最大輸入光功率與最大輸入光功率E0+Em 對(duì)應(yīng)的光電池曲線相交于對(duì)應(yīng)的光電池曲線相交于M點(diǎn)。點(diǎn)。 M點(diǎn)的電壓點(diǎn)的電壓VM應(yīng)滿足應(yīng)滿足 : Vm是與正

16、弦輸入光照度對(duì)應(yīng)的輸出電壓峰值是與正弦輸入光照度對(duì)應(yīng)的輸出電壓峰值. 0.6MQmOCVVVV由圖可知: VQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 0輸出輸出負(fù)載負(fù)載RL上的功率值上的功率值PL為為: mmmbLbLIEVGGGG將將PL對(duì)對(duì)GL求微分，可得求微分，可得最大功率輸出條件最大功率輸出條件： bLGG 2211()22mLLmbLEPG VGG得最大功率輸出時(shí) : 2()18mLmbEPG2212mLmbLmLmmLmEVGPIEVVQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)

17、(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 0v由靜態(tài)工作點(diǎn)Q的狀態(tài)，可計(jì)算最大功率輸出下的偏置電阻Rb 。在在Q點(diǎn)處有點(diǎn)處有 ：在最大功率輸出條件下有在最大功率輸出條件下有 ：bmMLmMQGEVVVV2而而 得得 或或 /bQQGIV00(2)2mbMEEGV0002(2)MbLmVRREEVQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 00QIE 例.硅光電池2CR31。在100lx光照下 VOC=400mV, ISC=30A, 若輸入光照度若輸入光照度 lxtE)sin50150(求：最大功率線性輸出時(shí)求：最大功率線性輸出時(shí) LmILmVLmPLRbR畫(huà)出等效電路：畫(huà)出