光電檢測發(fā)電路設(shè)計

1、第1頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一 靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力：使給定的輸入光信號在允許的非線性失真條件下有最佳的信號傳輸系數(shù)，得到最大的功率、電壓或電流輸出。 快速的動態(tài)響應(yīng)能力：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)。 最佳的信號檢測能力：具有為可靠檢測所必需的信噪比或最小可檢測信號功率。 長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。 檢測電路應(yīng)滿足下列技術(shù)要求：第2頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一 緩慢變化的光信號通常采用直流檢測電路。 直流檢測電路的計算重點在于確定電路的靜態(tài)工作狀態(tài)，由于光電檢測器件伏安特性的非線性，一般采用非線性電路的圖解法和分

2、段線性化的解析法來計算。 我們將根據(jù)器件伏安特性的性質(zhì)分作：恒流源型、光伏型和可變電阻型三種基本類型。第3頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一6.1 恒流源型光電檢測電路的靜態(tài)計算恒流源型光電檢測器件的伏安特性a) 光電倍增管 b) 光電二極管 c) 光電三極管第4頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一 在工作電壓較小的范圍內(nèi)曲線呈彎曲的趨勢，并且有一轉(zhuǎn)折點M。 工作電壓加大后曲線逐漸平直。 對于不同的輸入光通量，各曲線間近似平行且間距隨光通量增大趨于相等。第5頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一 這種輸出電流隨器件端電壓增大而變化不大

3、的性質(zhì)稱恒流源特性。 第6頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一一、圖解計算法式中，U(I)是非線性函數(shù)。上式可利用圖解法進行計算。 在伏安特性上劃出負載線Ub-IRL，它是斜率為-1/RL、通過UUb點的直線。與縱軸交于Ub/RL點上。畫出負載線第7頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一 如果輸入光通量為o，則負載線和對應(yīng)于輸入光通量為o時的器件伏安特性曲線的交點Q即為輸入電路的靜態(tài)工作點。 當(dāng)輸入光通量由o改變+（或- ）時，在光電二極管兩端產(chǎn)生-U（或+U）的電壓信號和+I（或-I）的電流信號。光通量對輸出信號的影響第8頁，共50頁，2022年，5月2

4、0日，4點25分，星期一負載對輸出信號的影響 當(dāng)偏置電壓Ub不變時，對于同樣的輸入光通量o， 負載電阻RL的減小負載線的斜率增大光電二極管兩端電壓U(I)減小輸出電壓Uo減小。 負載電阻RL的增大負載線的斜率變小光電二極管兩端電壓U(I)增大輸出電壓Uo增大。 但過大的RL會使負載線越過特性曲線的轉(zhuǎn)折點M進入非線性區(qū)，這會使輸出信號的波形發(fā)生畸變。第9頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一電源對電路的影響 但電路的功耗隨之加大，并且過大的偏置電壓會引起光電二極管的反向擊穿。利用圖解法確定輸入電路的負載電阻RL和反向偏壓Ub值時，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

5、負載線稍高于轉(zhuǎn)折點M，以便得到不失真的最大電壓輸出，同時保證Ub不大于器件的最大工作電壓Umax。第10頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一 圖解法特別適用于大信號狀態(tài)下的電路分析。 例如在大信號檢測情況下可以定性地看到輸出信號的波形畸變。 在用作光電開關(guān)的情況下可以借助圖解法合理地選擇電路參數(shù)使之能可靠的動作，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散功率。圖解法的應(yīng)用：第11頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一二、解析法 伏安特性的分段折線化和微變等效電路a) 折線化一 b) 折線化二 c) 等效電路第12頁，共50頁，2022年，5

6、月20日，4點25分，星期一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)內(nèi)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。第13頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一第14頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一 在輸入光通量變化范圍minmax為已知的條件下，用解析法計算輸入電路的工作狀態(tài)可按下列步驟進行。1、確定線性工作區(qū)域由對應(yīng)最大輸入光通量max的伏安曲線彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點M。相應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓U0或初始電導(dǎo)值G0可由圖中圖示關(guān)系決定

7、。第15頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一上式給出了折線化伏安特性四個基本參數(shù)U0、G0、G和S間的關(guān)系。在線段MN上有關(guān)系G0U0GU0+Smax由此可解得 U0Smax/(G0-G)或 G0G+Smax/U0第16頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一2、確定負載電阻和偏置電壓 為保證最大線性輸出條件，負載線和與max對應(yīng)的伏安曲線的交點不能低于轉(zhuǎn)折點M。設(shè)負載線通過M點，此時由上圖a中的圖示關(guān)系可得當(dāng)已知Ub時，可計算出負載電導(dǎo)（阻）GL（RL）為第17頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一當(dāng)RL已知時，可計算偏置電源電壓Ub為第

8、18頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一3、計算輸出電壓幅度 當(dāng)輸入光通量由min變化到max時，輸出電壓幅度為其中Umax和U0可由圖中M和H點的電流值計算得到第19頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一4、計算輸出電流幅度輸出電流幅度為：通常GLG，上式可簡化為5、計算輸出電功率第20頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一 已知硅光電二極管2DU2的靈敏度Si=0.55A/W，結(jié)間漏置電導(dǎo)G=0.02S，轉(zhuǎn)折點電壓U0=13V，入射光功率從min=15W變到max=35W，供電偏電壓為Ub=55V。 求： 取得最大線性輸出電壓下最佳負

9、載RL。 輸出電壓U。 (3)輸出電流I。習(xí)題61第21頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一第22頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一第23頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一6.2、光伏型光電檢測電路的靜態(tài)計算光伏型光電器件的伏安特性和等效電路 光伏型光電器件的伏安特性是一組以入射光功率為參量的曲線組，分布在伏安坐標系的第四象限。由于器件的端電壓U和電流I的方向相反，對外電路形成電勢，所以具有賦能元件的性質(zhì)，可對負載供電。有這種伏安特性的光電器件包括光電池和工作于光電池狀態(tài)下的光電二極管等。第24頁，共50頁，2022年，5月20日

10、，4點25分，星期一 光電池的輸出電流為： 光電池的兩端電壓為：第25頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一1、光伏型器件輸入電路的形式無偏置電路及其等效電路第26頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一2、無偏置輸入電路的靜態(tài)計算第27頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一負載對輸出信號的影響 由于光電池特性的非線性，負載電阻的選擇會影響光電池的輸出信號。 例如在圖中，對應(yīng)光通量的增量1-2，在短路狀態(tài)下（RL0），輸出電流增量IIsc2-Isc1，輸出電壓為零。隨著RL的增大，電流逐漸變小，輸出電壓隨之增大，直到某一臨界電阻RM之后負載上

11、的電壓變得飽合。第28頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一 根據(jù)上述公式，在同一入射光通量下，負載電阻對光電池輸出電壓、電流、功率的影響曲線表示在圖中。 由圖可見，根據(jù)選用負載電阻的數(shù)值可以把光電池的工作狀態(tài)分作：短路或線性電流放大、空載電壓輸出、線性電壓放大和功率放大四個區(qū)域，分別由圖中、表示。下面討論前三種工作狀態(tài)。可以定量地描述負載電阻對電路工作狀態(tài)（I、U、P）的影響：第29頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一短路或線性電流放大 這是一種電流變換狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，后續(xù)放大器作為負載從光電池中取得最大的輸出電流。為此要求負載電阻或后續(xù)放大器輸入阻

12、抗盡可能小。由圖可看到由于RL很小，輸出電流接近于短路電流，它與入射光通量有良好的線性關(guān)系，即第30頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一 優(yōu)點：在短路狀態(tài)下器件噪聲電流較低，信噪比改善，所以最適用于弱光信號的檢測。 短路電流隨受光面積的大小而改變，同一片光電池的短路電流或低阻負載時的負載電流與受光面積的變化曲線表示在下圖中，圖中A為受光面積。第31頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一 這是一種非線性電壓變換狀態(tài)。此時光電池應(yīng)通過高輸入阻抗變換器與前級放大電路連接，相當(dāng)于輸出開路。開路電壓可寫成空載電壓輸出所以開路電壓(RL=時)可寫成第32頁，共50頁，

13、2022年，5月20日，4點25分，星期一 上式表明開路電壓與入射光通量的對數(shù)成正比。并且由于Ip與光電池面積成正比，所以同一光電池的開路電壓與光電池面積的對數(shù)成正比，如圖所示。第33頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一例題已知在給定入射光功率（光照度E或光通量）下的開路電壓Uoc，求另一個入射光功率（光照度E或光通量）下的開路電壓Uoc。解第34頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一 優(yōu)點：通常光電池的開路電壓為0.450.6V，在入射光強從零到某一定值作跳躍變化的光電開關(guān)等應(yīng)用中簡單地利用Uoc的電壓變化不需加任何偏置電源即可組成控制電路，這是它的優(yōu)點

14、。此外，由伏安特性可以看到對于較小的入射光通量，開路電壓輸出變化較大，這對弱光信號的檢測特別有利。 缺點：光電池開路電壓與入射光功率呈非線性關(guān)系；這種使用方式的頻率特性不好，受溫度影響也較大，這是它的不足之處。空載電壓輸出電路的優(yōu)缺點第35頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一線性電壓輸出 這種工作狀態(tài)在串聯(lián)負載電阻上能得到與輸入光通量近似成正比的信號電壓。增大負載電阻有助于提高電壓，但當(dāng)負載增大到某一臨界值RM(最佳負載電阻)時，輸出信號開始非線性畸變。第36頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一上式展開成冪級數(shù)當(dāng)(IRL/UT)1時，忽略高階項，上式可簡

15、化為由于當(dāng)ISR)的條件下,負載電流IL變成 這表明負載電流與光敏電阻值無關(guān)，近似保持常數(shù)。這種電路稱作恒流偏置電路。 隨輸入光通量的變化，負載電流的變化I變成第46頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一 優(yōu)點：恒流偏置的電壓信噪比較高，因此適用于高靈敏度測量，這是它的優(yōu)點。 缺點：但是由于RL很大，為使光敏電阻正常工作的偏置電壓則很高（達100V以上），這給使用帶來不便。為了降低電源電壓，通常采用晶體管作恒流器件來代替RL。第47頁，共50頁，2022年，5月20日，4點25分，星期一2、恒壓偏置 因此，光敏光阻上的電壓UR近似與電源電壓Ub相等。這種光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱作恒壓偏置。負載上的信號電壓變成 在輸入電路中的負載電阻比光敏電阻小得多(RLR)的條件下,負載電壓UL變成式中S=G是光敏電阻的電導(dǎo)變化量，是引起信號輸出的原因。上式表示恒壓偏置的輸出信號與光敏電阻值無關(guān)，僅取決于電導(dǎo)的