光電探測器偏置電路

光電探測器偏置電路第一頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.2 光電探測器的偏置電路偏置：在探測器上加一定的偏流和偏壓使探測器能在電狀態(tài)正常工作，輸出光電信號。目的：取出光電信號。偏置電路的設(shè)計(jì)依據(jù)：器件的伏安特性同晶體管加電源和偏置電路選取適當(dāng)工作點(diǎn)的情況類似。第二頁，共五十六頁，2022年，8月28日光電導(dǎo)探測器（PC）的偏置電路光伏探測器（PV）的偏置電路主要內(nèi)容第三頁，共五十六頁，2022年，8月28日探測器的伏安特性分三種類型：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）

第四頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.2.1光電導(dǎo)探測器的偏置一、基本偏置電路分析偏置電流：設(shè)光照射在探測器上，其電阻值變化為ΔRS，則電流變化即信號電流iS為：RS:光敏電阻；RL：偏置電阻第五頁，共五十六頁，2022年，8月28日輸出點(diǎn)A的直流電壓：信號電壓為：分析：a)VS與VB的關(guān)系

VB↑→VS↑

但太大,功耗Pm↑——損壞器件

第六頁，共五十六頁，2022年，8月28日例：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:探測器光敏面積,平方厘米，RL，RS為電阻單位，VBmax為V單位第七頁，共五十六頁，2022年，8月28日b）VS與RL的關(guān)系令上式=0則時(shí)，有極大值：這時(shí)叫功率匹配,信號電壓最大。第八頁，共五十六頁，2022年，8月28日c)最佳偏置條件的確定

在偏置電流Il一定條件下,由上式可知：Rl↑→Vs↑。但實(shí)際上當(dāng)負(fù)載電阻RL↑時(shí),為保持固定的Il,應(yīng)該VB↑第九頁，共五十六頁，2022年，8月28日二、光電導(dǎo)探測器三種特殊偏置方式及其特點(diǎn)分析1.三種常用的偏置方式

1）恒流偏置當(dāng)選定RL>>Rs

，則與Rs無關(guān)。即在工作過程中流過探測器的電流是一恒定電流。第十頁，共五十六頁，2022年，8月28日第十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日當(dāng)選RL<<Rs，探測器上的偏置電壓與Rs無關(guān)，基本恒定。2）恒壓偏置流過探測器上的偏流不恒定,隨Rs變化。第十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日第十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日3）恒功率偏置（匹配偏置）此時(shí)，RL=Rs，探測器上的偏置功率： 與上兩種偏置比較，當(dāng)Rs變化時(shí)探測器上的偏置功率的變化最小。實(shí)際上,往往選Rs的平均值，而該偏置功率變化不大，故命名為恒功率偏置。第十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日2.三種偏置情況的比較從可以獲得的響應(yīng)度來考慮，則恒流偏置優(yōu)于匹配偏置，匹配偏置又優(yōu)于恒壓偏置。由于恒流偏置通常需要較高的偏置電壓源，在實(shí)用中可以采取匹配偏置而獲得與恒流偏置相當(dāng)?shù)捻憫?yīng)度。第十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日2.三種偏置情況的比較從放大器輸出的信噪比考慮，在以上三種偏置狀態(tài)的偏置電流相等的情況下：當(dāng)探側(cè)器與放大器系統(tǒng)的噪聲以探測器的非熱噪聲為主時(shí)，輸出的S/N與偏置狀態(tài)無關(guān)；當(dāng)系統(tǒng)以探測器的熱噪聲為主時(shí)，恒流偏置可以獲得的S/N最大，匹配偏置次之，恒壓偏置最小。第十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.2.2光伏探測器的偏置一、PV器件靜態(tài)工作點(diǎn)的確定二、光伏探測器的等效電路三、PV器件靜態(tài)工作狀態(tài)的設(shè)計(jì)反偏下光電二極管的偏置電路分析與計(jì)算光生電勢型探測電路的靜態(tài)計(jì)算四、PV器件動態(tài)工作狀態(tài)設(shè)計(jì)光電二極管交流探測電路光電池交流檢測電路第十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日PV器件的回顧1）零偏置或正向偏置：工作在伏安特性的第四象限，多用于輸出功率。也可以用于探測。2）反向偏置：工作在第三象限，多用于探測。PV器件零偏置時(shí)1/f噪聲最小，可以獲得較高的S/N。第十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日一.PV器件靜態(tài)工作點(diǎn)的確定直流負(fù)載線方程：交流

負(fù)載線方程：第十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日二、光伏探測器的等效電路1.直流等效電路工作在直流狀態(tài)時(shí)流過探測器的電流ID：光生電流Iph；暗電流Id（包括結(jié)電流Id1和結(jié)表面漏電流Id2）第二十頁，共五十六頁，2022年，8月28日光電流結(jié)電流漏電流流過探測器的電流第二十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日2.交流等效電路光子流速率微變引起的電流變化：其中：交變光電流動態(tài)電導(dǎo)第二十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日連接前放的交流等效電路第二十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日隨時(shí)間緩慢變化的光信號其頻譜分布處于低頻段，通常延伸到零頻。相應(yīng)的探測電路多采用直流探測型或調(diào)制探測型。對于直流探測型的輸入電路，主要的設(shè)計(jì)工作是電路靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算。

三.PV器件靜態(tài)工作狀態(tài)的設(shè)計(jì)第二十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日（一）反偏下光電二極管的偏置電路分析與計(jì)算

1.圖解計(jì)算法

基本電路PDbVbRV第二十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日TN線的確定：當(dāng)I＝0時(shí)，V=Vb（N點(diǎn)）；V=0（T點(diǎn)）連接NT，稱為負(fù)載線，因?yàn)樗c電壓軸的夾角決定了負(fù)載電阻RL

。第二十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日由于串聯(lián)回路中流過多元件的電流相等，負(fù)載線和它的伏安特性曲線的交點(diǎn)Q即為輸入電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。當(dāng)輸入光通量由Φ0作±ΔΦ改變時(shí)，在負(fù)載電阻上會產(chǎn)生±ΔV電壓輸出和±ΔIQ的電流信號輸出。第二十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日利用圖解法可定性的求出電路參數(shù)RL和Vb對輸出信號的影響。

由圖可知:隨Rb增大，信號電壓變大，超過M點(diǎn)產(chǎn)生畸變。M

第二十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日同時(shí)，隨Vb↑線性改善。但功耗加大，過大的Vb會引起PD反向擊穿。在利用圖解法確定輸入電路的RL和Vb時(shí)，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)載線稍高于轉(zhuǎn)折M，并保證Vb不大于最高工作電壓Vmax。第二十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日例：用2DU測緩變輻射通量。已知2DU的電流靈敏度，在測光范圍中最大輻射通量100μW,伏安特性曲線的拐點(diǎn)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(shí)的Rbmax=? （2）輻射通量變化10μW時(shí)，輸出電壓的變化量。

第三十頁，共五十六頁，2022年，8月28日解：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(diǎn)作負(fù)載線，則:(2)輸出電壓:第三十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日

折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：

A.轉(zhuǎn)折電壓V0：對應(yīng)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的電壓值。B.初始電導(dǎo)G0：相當(dāng)于非線性部分直線的初始斜率。C.結(jié)間漏電導(dǎo)G：是線性工作區(qū)間內(nèi)個(gè)平行直線的平均斜率。D.光電靈敏度

S2.解析法第三十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日在輸入光通量的變化范圍Φmin—Φmax為已知條件下，用解析法計(jì)算輸入電路的工作狀態(tài)可按下列步驟進(jìn)行。1）確定線性工作區(qū)域由轉(zhuǎn)折點(diǎn)M確定線性工作區(qū)域，相應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓或初始電導(dǎo)值G0中的幾何關(guān)系決定。在MV0上有即第三十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日2）計(jì)算偏置電阻Rb、偏壓Vb。為保證最大線性輸出條件，負(fù)載線和由Φmax對應(yīng)的伏安曲線的交點(diǎn)不能低于M點(diǎn)。

G0V0=Gb(Vb-V0)設(shè)負(fù)載線拐點(diǎn)M點(diǎn)，由圖可得第三十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日當(dāng)Vb已知時(shí)，則：當(dāng)Rb已知時(shí)，有第三十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日3）計(jì)算輸出電壓幅度

由圖可知：在ΔΦ時(shí)，其中Vmax和V0可由圖中M和H點(diǎn)的電流值計(jì)算得到。

由H點(diǎn)：由M點(diǎn)：上式表明輸出電壓幅度與ΔΦ、S成正比，與結(jié)間漏電導(dǎo)G和G0成反比。第三十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日4）計(jì)算輸出電流幅度由圖可知：

通常Gb>>G，上式簡化為ΔI=SΔΦ5）計(jì)算輸出功率

第三十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日（二）光生電勢型探測電路的靜態(tài)計(jì)算

Id：與溫度有關(guān)的二極管結(jié)電流

光電流開路電壓電流－電壓特性方程短路電流第三十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日當(dāng)有則：得：室溫時(shí)T=300K，則：利用上式，可在已知Φ、Voc時(shí)，計(jì)算另一Φˊ下的Vocˊ第三十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日1.無偏置的光電池電路：

由伏安曲線，對于給定的Φ0，只要選定RL，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IQ和VQ即為RL上的輸出值。由圖知：對應(yīng)相同的ΔΦ=Φ1―Φ2，當(dāng)RL<RLS（臨界電阻）時(shí)，IQ、VQ與ΔΦ呈線性；當(dāng)RL>RLS時(shí)，呈非線性，在檢測電路中往往希望線性。第四十頁，共五十六頁，2022年，8月28日計(jì)算臨界電阻RLS由給定的Φmax，利用算出VOC。取交于S點(diǎn)，得到臨界負(fù)載RLS,即臨界電阻RLS上的Vmax為則:第四十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日線性區(qū)工作分兩種情況：1）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Φ有良好的線性關(guān)系2）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:第四十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日非線性區(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Φ的對數(shù)成正比。對于較小的Φ，開始的信號電壓輸出幅度較大。這一點(diǎn)對于探測弱信號特別有利。第四十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日例:光電池在光照度為100lx時(shí)，開路電壓為VOC=180mV,ISC=80μA，求在由50lx增加到200lx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：（1）計(jì)算200lx下的開路電壓

（2）計(jì)算線性區(qū)域內(nèi)光電池的電流響應(yīng)度

（3）計(jì)算無偏壓時(shí)最佳電阻和輸出電壓變化量

第四十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日四、PV器件動態(tài)工作狀態(tài)設(shè)計(jì)交變光信號是指快速變化或各類型調(diào)制光信號。在分析和設(shè)計(jì)交變光信號探測電路時(shí)應(yīng)考慮到下述幾個(gè)問題：1.確定探測電路動態(tài)工作點(diǎn)。2.確定光信號頻率不失真的動態(tài)響應(yīng)。3.滿足信號頻率要求下的信噪比。

第四十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日輸入電路動態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算交變電路中首先建立直流工作點(diǎn)以獲得最大的輸出。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。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。

第四十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日1.光電二極管交流探測電路如圖為反偏壓PD的交變光探測基本電路。1）計(jì)算在已知偏壓Vb和光照度E時(shí)，負(fù)載電阻RL應(yīng)取多大才能獲得最大功率和線性電壓輸出。設(shè)入射照度變化：光照度變化范圍:在信號頻帶范圍內(nèi)，耦合電容C可以認(rèn)為是短路。等效交流負(fù)載電阻：第四十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日假定交流負(fù)載線為MN，它過M點(diǎn)，斜率由RL//Rb決定。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(diǎn)，則過Q點(diǎn)的斜率為–Gb的直線即為直流負(fù)載線。為了充分利用器件的線性區(qū)間，對應(yīng)的負(fù)載線應(yīng)通過特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。第四十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日2）計(jì)算RL上的輸出功率PL和電壓值Vm交流負(fù)載上的輸出功率為:Vm

、Im與Em對應(yīng)的幅值負(fù)載電阻RL上輸出功