光電探測(cè)器偏置電路_第1頁(yè)
光電探測(cè)器偏置電路_第2頁(yè)
光電探測(cè)器偏置電路_第3頁(yè)
光電探測(cè)器偏置電路_第4頁(yè)
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光電探測(cè)器偏置電路第一頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日4.2 光電探測(cè)器的偏置電路偏置: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)。目的:取出光電信號(hào)。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(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日光電導(dǎo)探測(cè)器(PC)的偏置電路光伏探測(cè)器(PV)的偏置電路主要內(nèi)容第三頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日探測(cè)器的伏安特性分三種類型:可變電阻型光生電勢(shì)型

恒流型PC器件電阻型熱探測(cè)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(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日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:設(shè)光照射在探測(cè)器上,其電阻值變化為ΔRS,則電流變化即信號(hào)電流iS為:RS:光敏電阻;RL:偏置電阻第五頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日輸出點(diǎn)A的直流電壓:信號(hào)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(yè),共五十六頁(yè),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(cè)器光敏面積,平方厘米,RL,RS為電阻單位,VBmax為V單位第七頁(yè),共五十六頁(yè),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(hào)電壓最大。第八頁(yè),共五十六頁(yè),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(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日二、光電導(dǎo)探測(cè)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(wú)關(guān)。即在工作過(guò)程中流過(guò)探測(cè)器的電流是一恒定電流。第十頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日第十一頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日當(dāng)選RL<<Rs,探測(cè)器上的偏置電壓與Rs無(wú)關(guān),基本恒定。2)恒壓偏置流過(guò)探測(cè)器上的偏流不恒定,隨Rs變化。第十二頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日第十三頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日3)恒功率偏置(匹配偏置)此時(shí),RL=Rs,探測(cè)器上的偏置功率: 與上兩種偏置比較,當(dāng)Rs變化時(shí)探測(cè)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(yè),共五十六頁(yè),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(lái)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(yè),共五十六頁(yè),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(cè)器的非熱噪聲為主時(shí),輸出的S/N與偏置狀態(tài)無(wú)關(guān);當(dāng)系統(tǒng)以探測(cè)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(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日4.2.2光伏探測(cè)器的偏置一、PV器件靜態(tài)工作點(diǎn)的確定二、光伏探測(cè)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(shì)型探測(cè)電路的靜態(tài)計(jì)算四、PV器件動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)設(shè)計(jì)光電二極管交流探測(cè)電路光電池交流檢測(cè)電路第十七頁(yè),共五十六頁(yè),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(cè)。2)反向偏置:工作在第三象限,多用于探測(cè)。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(yè),共五十六頁(yè),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(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日二、光伏探測(cè)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(guò)探測(cè)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(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日光電流結(jié)電流漏電流流過(guò)探測(cè)器的電流第二十一頁(yè),共五十六頁(yè),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(dòng)態(tài)電導(dǎo)第二十二頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日連接前放的交流等效電路第二十三頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日隨時(shí)間緩慢變化的光信號(hào)其頻譜分布處于低頻段,通常延伸到零頻。相應(yīng)的探測(cè)電路多采用直流探測(cè)型或調(diào)制探測(cè)型。對(duì)于直流探測(cè)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(yè),共五十六頁(yè),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(yè),共五十六頁(yè),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(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日由于串聯(lián)回路中流過(guò)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(huì)產(chǎn)生±ΔV電壓輸出和±ΔIQ的電流信號(hào)輸出。第二十七頁(yè),共五十六頁(yè),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(duì)輸出信號(hào)的影響。

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

第二十八頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日同時(shí),隨Vb↑線性改善。但功耗加大,過(guò)大的Vb會(huì)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(hào)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(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日例:用2DU測(cè)緩變輻射通量。已知2DU的電流靈敏度,在測(cè)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(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日解:依題畫出如下簡(jiǎn)圖

(1)為保證2DU工作于線性區(qū)且Rb最大,過(guò)拐點(diǎn)作負(fù)載線,則:(2)輸出電壓:第三十一頁(yè),共五十六頁(yè),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(duì)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(yè),共五十六頁(yè),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(yè),共五十六頁(yè),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(duì)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(yè),共五十六頁(yè),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(yè),共五十六頁(yè),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(yè),共五十六頁(yè),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(jiǎn)化為ΔI=SΔΦ5)計(jì)算輸出功率

第三十七頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日(二)光生電勢(shì)型探測(cè)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(kāi)路電壓電流-電壓特性方程短路電流第三十八頁(yè),共五十六頁(yè),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(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日1.無(wú)偏置的光電池電路:

由伏安曲線,對(duì)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(duì)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(cè)電路中往往希望線性。第四十頁(yè),共五十六頁(yè),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(yè),共五十六頁(yè),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(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(yè),共五十六頁(yè),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(duì)數(shù)成正比。對(duì)于較小的Φ,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。第四十三頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日例:光電池在光照度為100lx時(shí),開(kāi)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(kāi)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(wú)偏壓時(shí)最佳電阻和輸出電壓變化量

第四十四頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日四、PV器件動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)設(shè)計(jì)交變光信號(hào)是指快速變化或各類型調(diào)制光信號(hào)。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。

第四十五頁(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日輸入電路動(dòng)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(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日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。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(hào)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(yè),共五十六頁(yè),2022年,8月28日假定交流負(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。為了充分利用器件的線性區(qū)間,對(duì)應(yīng)的負(fù)載線應(yīng)通過(guò)特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M。第四十八頁(yè),共五十六頁(yè),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(duì)應(yīng)的幅值負(fù)載電阻RL上輸出功

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