光電探測器的偏置電路

光電探測器的偏置電路1第一頁，共六十八頁，2022年，8月28日4.1.1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計4.1.3恒流源型探測器的偏置和設計4.1.4光生電勢型探測器的偏置和設計4.1 光電探測器的偏置電路2第二頁，共六十八頁，2022年，8月28日4.1.1探測器的伏安特性回顧及基本概念3第三頁，共六十八頁，2022年，8月28日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）

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4第四頁，共六十八頁，2022年，8月28日1．可變電阻型探測器的伏安特性光電導探測器（光敏電阻）5第五頁，共六十八頁，2022年，8月28日2．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/μA6第六頁，共六十八頁，2022年，8月28日（2）光伏探測器

7第七頁，共六十八頁，2022年，8月28日（a）光電二極管8第八頁，共六十八頁，2022年，8月28日（b）光電三極管9第九頁，共六十八頁，2022年，8月28日3．光生電勢型探測器的伏安特性光電池10第十頁，共六十八頁，2022年，8月28日靜態(tài)：當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)或靜止狀態(tài)，簡稱靜態(tài)。在靜態(tài)工作情況下，負載線和伏安特性曲線的交點稱為靜態(tài)工作點。動態(tài)：當電路輸入信號后，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第十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日

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第十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日交流通路: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，應遵循“先靜態(tài)，后動態(tài)”的原則，求解靜態(tài)工作點Q時應用直流通路，求解動態(tài)參數(shù)時應用交流通路，兩種通路必須分清，不可混淆。13第十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日RC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第十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日對交流信號(輸入信號ui)短路短路置零RB+ECRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路15第十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日4.1.2可變電阻型探測器的偏置和設計16第十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日：探測器電阻：偏置電阻（或負載電阻）一、基本偏置的靜態(tài)設計1.圖解法負載回路方程伏安曲線負載線伏安特性（緩變輻射）17第十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日2.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系。

18第十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日設入射于光敏電阻的輻射為調(diào)制輻射正弦，RLRd~ipCdVL等效微變電路基本偏置電路二、基本偏置的動態(tài)設計19第十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日輸出的交流部分電流輸出的交流部分電壓交流負載線20第二十頁，共六十八頁，2022年，8月28日檢測微弱信號時需考慮器件的固有噪聲：熱噪聲、產(chǎn)生－復合噪聲及１/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21第二十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日4.1.3恒流源型探測器的偏置和設計（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，第三版22第二十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日一.靜態(tài)（直流或緩慢變化輻射）（1）基本電路23第二十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日負載線的確定：I＝0，（N點）；

V=0,（T點）負載線的斜率：－1/Rb。當輸入光通量由Φ0作±ΔΦ緩慢改變時，在負載電阻上會產(chǎn)生±ΔV電壓輸出和±ΔIQ的電流信號輸出。（2）確定靜態(tài)工作點負載線和靜態(tài)工作時所對應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第二十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日電路參數(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第二十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日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M26第二十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日

結(jié)論：在利用圖解法確定Rb和Vb時，應根據(jù)輸入光通量的變化范圍和輸出信號的幅度要求，使負載線稍高于拐點M，并保證Vb不大于最高工作電壓Vmax。M27第二十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日例1 用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100μW,伏安特性曲線的拐點電壓VM=10V，若電源電壓Vb=15V。要求負載線建立在線性區(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10μW時，輸出電壓的變化量.

思考題28第二十八頁，共六十八頁，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，過拐點作負載線，則:(2).輸出電壓:29第二十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日二、動態(tài)工作狀態(tài)設計 （動態(tài)工作點＋頻率響應）1.輸入電路動態(tài)工作點的計算原則：先直流，再交流30第三十頁，共六十八頁，2022年，8月28日

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程V31第三十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日

斜率為－1/Rb的直流負載線和照度為E0的伏安特性曲線的交點確定靜態(tài)工作點QQ32第三十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日（2）根據(jù)交流通路確定動態(tài)負載線和工作區(qū)域V

反偏壓PD的交變光探測基本電路

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可以認為是短路。33第三十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日交流負載線與光照度E=E0對應的伏安特性相交于Q點。交流負載線斜率由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），對應的交流負載線應通過特性曲線的轉(zhuǎn)折點M。設光照度變化：

則光照度變化范圍:

等效交流負載電阻：QM(VM)VQVb/RbIIQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im34第三十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日（3）計算信號線性輸出最大時，負載RL上的交流輸出電壓峰值Vm、電流峰值ILm和負載功率PLQM(VM)VQVb/RbIIQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im（有效值）（峰值）（峰值）35第三十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日將PL對GL求偏微分，得最大功率輸出條件為:

（4）計算負載最大功率輸出時負載RL上的輸出電壓VLmax、電流ILmax和負載功率PLmax電流由負載和偏置電阻均分36第三十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日大三角中（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37第三十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日2.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第三十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日分析：不同工作狀態(tài)下的VL表示1）給定輸入光照度在負載上取得最大功率輸出時（RL=Rb，g<<Gb

）39第三十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日2）電壓放大時，希望負載上取得最大電壓輸出（RL>>Rb，g<<Gb

）40第四十頁，共六十八頁，2022年，8月28日3）電流放大時，希望負載上取得最大電流輸出（RL<<Rb，g<<Gb

）41第四十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日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RL<<Rb電壓放大RL>>Rb功率放大RL=Rb42第四十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日習題1.用2CU接收激光信號，2CU的S=0.5μA/μW，Φ=25μW時，伏安特性曲線拐點電壓VM＝10V，結(jié)電容C1＝3pF，電源電壓Vb＝60V，引線分布電容C0＝7pF，設激光的輻射通量Φ=(20+5sinωt)μW，求管子在線性區(qū)，獲得最大功率時的偏置電阻Rb和負載電阻RL，VLmax，ILmax和上限截止頻率。43第四十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日2.PMT陽極特性為：時，IA=200μA，拐點電壓Vm＝60V，陽極電壓VA＝90V，要求在線性區(qū)內(nèi)的負載電阻獲得最大的輸出電壓，求：

a.直流負載Rb＝？

b.如果入射的最大光通量由4×10-5lm緩變?yōu)?.5×10-5lm時（靜態(tài)工作點的改變），求輸出電壓的變化量。44第四十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日4.1.4光生電勢型探測器的偏置和設計（光電池）45第四十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日一.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第四十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日

由伏安曲線，對于給定的Φ0，只要選定RL，工作點Q就能由負載線與光電池相應伏安曲線的交點決定。該點的IQ和VQ即為RL上的輸出值。相對Φ0的光通量增量±ΔΦ將形成對應的電流變化±ΔI和±ΔV。

3.確定直流負載線47第四十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日

由圖知：對確定的電阻RL（以RLs為例）

，當輸入光通量較小時，負載上的輸出電壓和電流隨光通量成正比例增加；當入射光通量較大時，輸出電壓和電流呈飽和狀態(tài)（非線性）。電阻越大越明顯。(1)Φ的影響4.分析輸入光通量Φ和負載電阻RL

對輸出的影響48第四十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日

由圖知：對應相同的ΔΦ=Φ1―Φ2，當RL<RLS（臨界電阻）時，IQ、VQ與ΔΦ呈線性；當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第四十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日VPIV/I/PRLo?ⅡⅣⅢRLs（c）

在同一入射光通量下，負載電阻對光電池輸出電壓、電流、功率的影響曲線如圖所示50第五十頁，共六十八頁，2022年，8月28日（c）（a）短路或線性電流放大（RL=0）電流變換狀態(tài)，負載輸出光電流最大；要求后續(xù)放大器輸入阻抗盡可能小；與入射光通量有良好的線性關系；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第五十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日當有則：（b）空載電壓輸出（I=0）

利用上式，可在已知Φ、Voc時，計算另一Φˊ下的Vocˊ相減52第五十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日在第三區(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。因此需確定負載電阻的臨界值。（C）線性電壓輸出53第五十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖解法計算臨界電阻RLS

由給定的Φmax，取

與伏安特性曲線交于S點，得到臨界負載RLS,即臨界電阻RLS上的Vs為Φmax對應的輸出電壓變化為：IP54第五十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日綜上所述，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有良好的線性關系

電壓放大：在保持良好線性情況下，有最大的電壓輸出，負載線可接近臨界負載線，則輸出電壓為:

55第五十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日例:光電池在光照度為100lx時，開路電壓為VOC=180mV,ISC=80μA。求在由50lx增加到200lx時，為保證線性輸出所需最佳負載電阻值和輸出電壓變化量。

思考題56第五十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日例:光電池在光照度為100lx時，開路電壓為VOC=180mV,ISC=80μA。求在由50lx增加到200lx時，為保證線性輸出所需最佳負載電阻值和輸出電壓變化量。

解：（1）計算200lx下的開路電壓

（2）計算線性區(qū)域內(nèi)光電池的電流響應度

（3）計算無偏壓時最佳電阻和輸出電壓變化量

57第五十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日補充有反偏壓的光電池電路回路方程M58第五十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日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，ΔV的范圍也更大，可見，加反偏擴大了線性輸出電壓范圍。59第五十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日

例:光電池在光照度為100lx時，開路電壓為VOC=180mV,ISC=80μA。求在由50lx增加到200lx時，為保證線性輸出所需最佳負載電阻值和輸出電壓變化量。若加有反偏壓Vb＝0.3V，允許選用的負載電阻RL＝？輸出電壓ΔV=?

60第六十頁，共六十八頁，2022年，8月28日例:光電池在光照度為100lx