光電探測器的偏置電路基本概念和設(shè)計

1、光電探測器的偏置電路基本概念和設(shè)計14.1.1 探測器伏安特性回顧及基本概念4.1.2 可變電阻型探測器的偏置和設(shè)計4.1.3 恒流源型探測器的偏置和設(shè)計 4.1.4 光生電勢型探測器的偏置和設(shè)計24.1.1 探測器的伏安特性回顧及基本概念3可變電阻型 光生電勢型 恒流型PC器件電阻型熱探測器（加偏置，不分正負(fù)） PV器件，PMT（加反向偏置） 光電池（不加偏置 ） 一、探測器的伏安特性41可變電阻型探測器的伏安特性光電導(dǎo)探測器 （光敏電阻 ）52恒流源型探測器的伏安特性（1）光電倍增管陽極與末極倍增極間的電壓/VI/A6（2）光伏探測器 7（a）光電二極管8（b）光電三極管93光生電勢型探測

2、器的伏安特性光電池10靜態(tài)：當(dāng)電路沒有輸入信號時（對光信號而言指恒定的或緩慢變化的光信號），電路中各處的電壓、電流都是不變的直流，稱為直流工作狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，簡稱靜態(tài)。在靜態(tài)工作情況下，負(fù)載線和伏安特性曲線的交點稱為靜態(tài)工作點。動態(tài)：當(dāng)電路輸入信號后，電路中各處的電壓、電流處于變動狀態(tài)，這時電路處于動態(tài)工作狀態(tài)，簡稱動態(tài)。如在許多場合下，光電檢測電路接受到的是隨時間變化的瞬變信號或各種形式的調(diào)制光信號。在動態(tài)工作情況下，負(fù)載線和伏安特性曲線的交點稱為動態(tài)工作點。1. 靜態(tài)和動態(tài)二. 基本概念 11 電路中直流信號和交流信號是同時存在的，為了分析研究方便，將兩種信號對電路的作用分開討論，即分為直

3、流通路和交流通路。直流通路:在直流電源作用下直流電流流過的通路，即靜態(tài)電流通路。主要用于求解靜態(tài)工作點。直流通路的確定方法:(a)將電容開路；(b)將電感短路，忽略內(nèi)阻；(c)信號源短路，保留內(nèi)阻。2. 直流和交流通路 12交流通路: 在輸入信號作用下交流電流流過的通路，即動態(tài)電流通路。主要用于確定電路的動態(tài)參數(shù)。交流通路的確定方法:(a)將電容視為短路；(b)將電感視為開路；(c)將直流電源視為短路。(小內(nèi)阻)信號的不同分量可以分別在不同的通路中分析。在分析電路時，應(yīng)遵循“先靜態(tài)，后動態(tài)”的原則，求解靜態(tài)工作點Q時應(yīng)用直流通路，求解動態(tài)參數(shù)時應(yīng)用交流通路，兩種通路必須分清，不可混淆。13RC

4、耦合共射放大電路開路開路RB+ECRCC1C2T直流通道RB+ECRC利用上述原則，阻容耦合共射放大電路的直、交流通路分別為:14對交流信號(輸入信號ui)短路短路置零RB+ECRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路154.1.2 可變電阻型探測器的偏置和設(shè)計16：探測器電阻：偏置電阻（或負(fù)載電阻）一、基本偏置的靜態(tài)設(shè)計1. 圖解法負(fù)載回路方程 伏安曲線 負(fù)載線 伏安特性 （緩變輻射）172. 解析法偏置電流輸出點電壓光敏電阻功耗入射輻射變化時，偏置電阻RL兩端的輸出信號電流、電壓變化為 ？電路參數(shù)確定后，輸出信號變化與入射輻射量的變化成線性關(guān)系。 18設(shè)入射于光敏電阻的輻射為調(diào)制輻射正弦

5、，RLRdipCdVL等效微變電路基本偏置電路二、基本偏置的動態(tài)設(shè)計19輸出的交流部分電流輸出的交流部分電壓交流負(fù)載線20檢測微弱信號時需考慮器件的固有噪聲：熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲及/f噪聲光敏電阻若接收調(diào)制輻射，其噪聲的等效電路如圖所示ipingrintinfRLRdCd考慮噪聲時的噪聲等效電路214.1.3 恒流源型探測器的偏置和設(shè)計（光電二極管）參考：孫培懋，光電技術(shù) 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)，第三版22一. 靜態(tài) （直流或緩慢變化輻射）（1） 基本電路23負(fù)載線的確定：I0， （N點）； V=0, （T點） 負(fù)載線的斜率：1/Rb。當(dāng)輸入光通量由0作緩慢改變時， 在負(fù)載電阻上會產(chǎn)生V電壓輸出

6、和 IQ的電流信號輸出。（2）確定靜態(tài)工作點負(fù)載線和靜態(tài)工作時所對應(yīng)的伏安特性曲線的交點Q即為輸入電路的靜態(tài)工作點。24電路參數(shù)Rb對輸出信號的影響由圖可知：在一定偏壓下，隨Rb增大，輸出信號電壓范圍變大，但過拐點M后，信號會產(chǎn)生畸變。 M （3）參數(shù)分析（ Rb和Vb ）Rb影響 M25 Rb值一定時，未過拐點M之前，Vb增大使輸出信號電壓線性改善。Vb過大使功耗加大，引起PD反向擊穿。Vb影響 電路參數(shù)Vb對輸出信號的影響M 26 結(jié)論：在利用圖解法確定Rb和Vb時，應(yīng)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(fù)載線稍高于拐點M，并保證Vb不大于最高工作電壓Vmax。 M 27例1用

7、2DU測緩變輻射通量（靜態(tài)）。已知2DU的電流靈敏度 ，在測光范圍中最大輻射通量100W,伏安特性曲線的拐點電壓VM=10V，若電源電壓Vb=15V。 要求負(fù)載線建立在線性區(qū)內(nèi)。求：（1）保證輸出電壓最大時的Rbmax=?（2）輻射通量緩慢變化10W時，輸出電壓的變化量. 思 考 題28解：依題畫出如下簡圖 (1).為保證2DU工作于線性區(qū)且 Rb最大，過拐點作負(fù)載線，則:(2).輸出電壓 :29二、動態(tài)工作狀態(tài)設(shè)計（動態(tài)工作點頻率響應(yīng)）1. 輸入電路動態(tài)工作點的計算 原則：先直流，再交流30反偏壓PD的交變光探測基本電路（1）根據(jù)直流通路確定靜態(tài)工作點反偏壓PD的交變光探測電路直流通路回路方

8、程V31 斜率為1/Rb的直流負(fù)載線和照度為E0的伏安特性曲線的交點確定靜態(tài)工作點QQ32反偏壓PD的交變光探測基本電路（2）根據(jù)交流通路確定動態(tài)負(fù)載線和工作區(qū)域V反偏壓PD的交變光探測電路交流通路在信號通頻帶范圍內(nèi)，耦合電容C可以認(rèn)為是短路。33交流負(fù)載線與光照度E=E0對應(yīng)的伏安特性相交于Q點。交流負(fù)載線斜率由RL/Rb決定，同時為了充分利用器件的線性區(qū)間（使輸出信號最大），對應(yīng)的交流負(fù)載線應(yīng)通過特性曲線的轉(zhuǎn)折點M。設(shè)光照度變化： 則光照度變化范圍: 等效交流負(fù)載電阻：QM(VM)VQVb/RbIIQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im34（3）計算信號線性輸出最大時，負(fù)載RL上的交流

9、輸出電壓峰值Vm、電流峰值ILm和負(fù)載功率PLQM(VM)VQVb/RbIIQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im（有效值）（峰值）（峰值）35將PL對GL求偏微分，得最大功率輸出條件為: （4）計算負(fù)載最大功率輸出時負(fù)載RL上的輸出電壓VLmax、電流ILmax和負(fù)載功率PLmax電流由負(fù)載和偏置電阻均分36大三角中（5）計算最大功率輸出時直流偏置電阻Rb0和偏置電壓Vb或 當(dāng)已知電源電壓Vb時，可計算出偏置電阻Rb。QM(VM)VQVb/RbIIQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im小三角中372. 探測電路的頻率特性計算高頻短路列出電路的回路方程：基本電路微變等效電路SE38分析

10、：不同工作狀態(tài)下的VL表示1）給定輸入光照度在負(fù)載上取得最大功率輸出時 （RL=Rb，gRb，gGb ）403）電流放大時，希望負(fù)載上取得最大電流輸出 （RLRb，gGb ）41比較為得到足夠的信號功率和電壓，RL和Rb要大，從而降低高頻截止頻率，使通頻帶寬度降低。采用低輸入阻抗高增益的電流放大器電流放大RLRb功率放大RL=Rb42習(xí) 題1. 用2CU接收激光信號，2CU的，=25W時，伏安特性曲線拐點電壓VM10V，結(jié)電容C13pF，電源電壓Vb60V，引線分布電容C07pF，設(shè)激光的輻射通量=(20+5sint) W，求管子在線性區(qū)，獲得最大功率時的偏置電阻Rb和負(fù)載電阻RL，VLmax

11、，ILmax和上限截止頻率。432. PMT陽極特性為： 時，IA=200A，拐點電壓Vm60V，陽極電壓VA90V，要求在線性區(qū)內(nèi)的負(fù)載電阻獲得最大的輸出電壓，求： a.直流負(fù)載Rb？ b. 如果入射的最大光通量由410-5lm緩變?yōu)?.510-5lm時（靜態(tài)工作點的改變），求輸出電壓的變化量。444.1.4 光生電勢型探測器的偏置和設(shè)計（光電池）45一.光生電勢型探測電路的靜態(tài)計算 V流過探測器的總電流： I=IP-Id（未考慮表面漏電流）1. 基本電路2. 回路方程其中46 由伏安曲線，對于給定的0，只要選定RL，工作點Q就能由負(fù)載線與光電池相應(yīng)伏安曲線的交點決定。該點的IQ和VQ即為R

12、L上的輸出值。相對0的光通量增量將形成對應(yīng)的電流變化I和V。 3. 確定直流負(fù)載線474. 分析輸入光通量和負(fù)載電阻RL 對輸出的影響 由圖知：對確定的電阻RL（以RLs為例） ，當(dāng)輸入光通量較小時，負(fù)載上的輸出電壓和電流隨光通量成正比例增加；當(dāng)入射光通量較大時，輸出電壓和電流呈飽和狀態(tài)（非線性）。電阻越大越明顯。(1)的影響48 由圖知：對應(yīng)相同的=12， 當(dāng)RL RLS時，呈非線性（電壓飽和），在檢測電路中往往希望線性。（2）RL的影響49 在同一入射光通量下，負(fù)載電阻對光電池輸出電壓、電流、功率的影響曲線如圖所示 VPIV/I/PRLoRLs（c）50（c）（a）短路或線性電流放大（RL

13、=0）電流變換狀態(tài)，負(fù)載輸出光電流最大；要求后續(xù)放大器輸入阻抗盡可能??；與入射光通量有良好的線性關(guān)系；短路狀態(tài)下器件噪聲電流較低，信噪比改善，最適用于弱光信號的檢測。三種工作狀態(tài)：51當(dāng)有則：（b）空載電壓輸出（I=0） 利用上式，可在已知、Voc時，計算另一下的 Voc 相減52在第三區(qū)域可得到與輸入光通量近似成正比的信號電壓。增大負(fù)載電阻有助于提高電壓，但卻引起輸出信號的非線性畸變。因此需確定負(fù)載電阻的臨界值。（C）線性電壓輸出53圖解法計算臨界電阻RLS 由給定的max，取 與伏安特性曲線交于S點，得到臨界負(fù)載RLS,即臨界電阻RLS上的Vs為max對應(yīng)的輸出電壓變化為：IP54綜上所述

14、，線性區(qū)工作分兩種情況：電流放大：要求RL與后級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 電壓放大：在保持良好線性情況下，有最大的電壓輸出，負(fù)載線可接近臨界負(fù)載線，則輸出電壓為: 55例:光電池在光照度為100lx時，開路電壓為VOC=180mV, ISC=80A。求在由50lx增加到200lx時，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。 思考題56例:光電池在光照度為100lx時，開路電壓為VOC=180mV, ISC=80A。求在由50lx增加到200lx時，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：（1

15、）計算200lx下的開路電壓 （2）計算線性區(qū)域內(nèi)光電池的電流響應(yīng)度 （3）計算無偏壓時最佳電阻和輸出電壓變化量 57補 充有反偏壓的光電池電路回路方程M58反偏壓輸入電路中通過轉(zhuǎn)折點M的RL可以取得比無反偏時的RL更大，V的范圍也更大 ，可見，加反偏擴大了線性輸出電壓范圍。 59 例:光電池在光照度為100lx時，開路電壓為VOC=180mV, ISC=80A。求在由50lx增加到200lx時，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。若加有反偏壓Vb，允許選用的負(fù)載電阻RL？輸出電壓V=? 60例:光電池在光照度為100lx時，開路電壓為VOC=180mV, ISC=80A。求在由50lx增加到200lx時，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。若加有反偏壓Vb，允許選用的負(fù)載電阻RL？輸出電壓V=? 61二. 光電池交流檢測電路 輸入光照度為：直流通路（1）根據(jù)直流通路確定靜態(tài)工作點VI回路方程62靜態(tài)工作點：通過原點作直流負(fù)載線，與E=E0交點Q，斜率 63