第五章光電檢測電路

第五章光電檢測電路第一節(jié)光電檢測電路的設(shè)計(jì)要求

第二節(jié)典型光電輸入電路

第三節(jié)光電檢測電路的帶寬和頻率特性

第四節(jié)光電檢測系統(tǒng)的噪聲與抑制

第五節(jié)前置放大及光耦合電路

第六節(jié)光電檢測電路應(yīng)用實(shí)例第一節(jié)光電檢測電路的設(shè)計(jì)要求1.光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)

2.動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快

3.信號(hào)檢測能力強(qiáng)

4.穩(wěn)定性、可靠性好1.光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合的電信號(hào)，是實(shí)現(xiàn)光電檢測的先決條件。所以，光電轉(zhuǎn)換能力的高低對整個(gè)光電檢測系統(tǒng)具有至關(guān)重要的影響和作用。因此，具備較強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換能力，是對光電檢測電路的最基本要求。表示光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)弱的參數(shù)，通常采用光電靈敏度(或稱傳輸系數(shù)、轉(zhuǎn)換系數(shù)、比率等)，即單位輸入光信號(hào)的變化量所引起的輸出電信號(hào)的變化量。2.動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快隨著對檢測系統(tǒng)與器件的要求不斷提高，對檢測系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求也隨之提高。特別是在諸如光通信等領(lǐng)域，對光電器件以及光電檢測電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的要求甚至是第一位的。一般情況下，光電檢測電路應(yīng)滿足信號(hào)通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘?hào)的快速響應(yīng)。3.信號(hào)檢測能力強(qiáng)信號(hào)檢測能力，主要是指光電檢測電路輸出信號(hào)中有用信號(hào)成分的多少，常用信噪比、功率等參數(shù)表征。通常要求光電檢測電路具有可靠檢測所必需的信噪比或最小可檢測信號(hào)功率。4.穩(wěn)定性、可靠性好光電檢測電路在長期工作的情況下應(yīng)該穩(wěn)定、可靠，特別是在一些特殊場合下，對穩(wěn)定性、可靠性的要求會(huì)更高。光電檢測系統(tǒng)光電檢測系統(tǒng)分類主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)紅外系統(tǒng)多用于軍事,有大氣窗口,需要特種探測器可見光系統(tǒng)多用于民用點(diǎn)探測/面探測系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)用單元探測器接受目標(biāo)的總輻射功率用面接受元件測量目標(biāo)的光強(qiáng)分布模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號(hào)處理方式分)直接檢測/相干檢測系統(tǒng)(按光波對信號(hào)的攜帶方式分)主動(dòng)系統(tǒng)通過信息調(diào)制光源,或者光源發(fā)射的光受被測物體調(diào)制.返回被動(dòng)系統(tǒng)光信號(hào)來自被測物體的自發(fā)輻射返回直接檢測/相干檢測直接檢測:

無論是相干或非相干光源，都是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息。光電探測器直接把接受到的光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，然后，用解調(diào)電路檢出所攜帶的信息。相干檢測:

利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強(qiáng)。因?yàn)橛霉獠ǖ南喔稍?，只能用相干光。類似于無線電外茶檢測，故又稱光外差檢測。光電檢測系統(tǒng)的信噪比信噪比：與靈敏度相關(guān)誤碼率：

“0”和“1”出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率

直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理將待測光信號(hào)直接入射到光探測器光敏面，光探測器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度輸出相應(yīng)的電流或電壓。光探測器的平方律特性光電流正比于光電場振幅的平方輸出的電功率正比于入射光功率的平方系統(tǒng)的基本特性信噪比：表征檢測系統(tǒng)的靈敏度

PS:輸入信號(hào)光功率,Pn:

噪聲功率

檢測距離：是系統(tǒng)靈敏度的另外一種評價(jià)指標(biāo)，與發(fā)射和接收系統(tǒng)的大氣特性以及目標(biāo)的反射特性有關(guān)．直接檢測系統(tǒng)的視場角表征系統(tǒng)能“觀察”到的空間范圍系統(tǒng)的視場角越大越好．但是增大檢測器面積使系統(tǒng)的噪聲增大；減小焦距使系統(tǒng)的相對孔徑加大．系統(tǒng)的通頻帶寬度檢測系統(tǒng)要求Δf保持原由信號(hào)的調(diào)制信息．確定系統(tǒng)頻帶寬度的幾種方法：等效矩形帶寬頻譜曲線下降３dB的帶寬包含９０％能量的帶寬頻帶寬度越寬，通過信號(hào)的能量越大，系統(tǒng)的噪聲功率也越大．fS為信號(hào)光波，fL為本機(jī)振蕩光波，這兩束相干光入射到探測器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場。經(jīng)探測器變換后，輸出信號(hào)中包含的差頻信號(hào)，故又稱相干探測。

光外差檢測基本原理設(shè)入射到探測器上的信號(hào)光場為：

本機(jī)振蕩光場為：

入射到探測器上的總光場為：

；:量子效率；:光子能量；:差頻。式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于1／2。第三項(xiàng)（和頻項(xiàng)）是余弦函數(shù)的平均值為零。而第四項(xiàng)（差頻項(xiàng)）相對光頻而言，頻率要低得多。當(dāng)差頻低于光探測器的截止頻率時(shí)，光探測器就有頻率為的光電流輸出。

光探測器輸出的光電流光外差檢測的特性

可獲得全部信息：不僅可探測振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可探測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)，即在光探測器輸出電流中包含有信號(hào)光的振幅、頻率和相位等全部信息；轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高達(dá)１０７－１０８，對微弱信號(hào)的探測有利．光外差檢測的特性

可獲得全部信息：不僅可探測振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可探測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)，即在光探測器輸出電流中包含有信號(hào)光的振幅、頻率和相位等全部信息。轉(zhuǎn)換效率高：轉(zhuǎn)換增益可高達(dá)１０７－１０８，對微弱信號(hào)的探測有利。差頻信號(hào)是由具有恒定頻率（近于單頻）和恒定相位的相干光混頻得到的，只有激光才能實(shí)現(xiàn)外差探測。

光外差檢測的特性良好的濾波性能

取差頻信號(hào)為信息處理器的通頻帶，可以過濾頻帶外的雜散光；而直接探測中，所有的雜散光都被接收信噪比損失小檢測靈敏度高例如：量子效率為１，Δf為１Hz，則外差檢測的靈敏度極限為１個(gè)光子系統(tǒng)對探測器性能的要求光外差檢測對探測器的要求比直接檢測高響應(yīng)頻帶寬均勻性好工作溫度高

第二節(jié)典型光電輸入電路一、光敏電阻輸入電路

二、光電倍增管輸入電路

三、光電池輸入電路

四、光敏二極管輸入電路

五、光敏晶體管輸入電路

六、光電器件與運(yùn)算放大器的連接

七、弱光檢測電路5.1信號(hào)調(diào)理電路

255.1.1放大電路1、幾個(gè)基本概念等效電路共模電壓、差模電壓（常模電壓）差模放大倍數(shù)、共模放大倍數(shù)共模抑制比265.1.1放大電路（續(xù)）2、集成運(yùn)算放大器3、比例放大電路275.1.1放大電路（續(xù)）285.1.1放大電路（續(xù)）4、儀用放大電路295.1.2濾波電路1、基本概念通帶增益A0諧振頻率f0、截至頻率fp

頻帶寬度BW品質(zhì)因素Q、阻尼系數(shù)ξ305.1.2濾波電路

（續(xù)）2、無源濾波器和有源濾波器315.1.2濾波電路

（續(xù)）3、二階RC有源低通濾波器325.1.2濾波電路

（續(xù)）3、二階RC有源低通濾波器335.1.2濾波電路

（續(xù)）4、其它有源濾波器的設(shè)計(jì)345.1.3調(diào)制與解調(diào)電路1、調(diào)制信號(hào)355.1.3調(diào)制與解調(diào)電路（續(xù)）2、解調(diào)電路5.2信號(hào)變換技術(shù)

365.2.1測量電橋1、基本概念特點(diǎn)：靈敏度高線性好測量范圍寬容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償分類：直流電橋

交流電橋電阻應(yīng)變式測力稱重傳感器電感式、差動(dòng)變壓器式、電容式傳感器375.2.1測量電橋（續(xù)）(1)(2)(3)(4)(5)385.2.1測量電橋（續(xù)）2、電橋放大器電源浮置的電橋放大器差分輸入式電橋放大器395.2.2電壓－電流轉(zhuǎn)換為了減少長線傳輸過程中線路電阻和負(fù)載電阻的影響，可以將直流電壓變換成直流電流后進(jìn)行傳輸。信號(hào)制式：被測量電壓→4～20mA。405.2.3電壓－頻率轉(zhuǎn)換

電壓－頻率轉(zhuǎn)換將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的振蕩頻率?？商岣咝盘?hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力，還可節(jié)省系統(tǒng)接口資源。415.2.4模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換

1、采樣與量化425.2.4模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換（續(xù)）

2、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換435.2.4模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換（續(xù)）

3、逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換445.2.4模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換（續(xù)）

3、逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換455.2.4模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換（續(xù)）

4、增量調(diào)制型A/D轉(zhuǎn)換465.3噪聲及干擾抑制技術(shù)

噪聲及干擾的來源：自然界的雷電、無線電發(fā)射裝置發(fā)出的電磁波、生產(chǎn)現(xiàn)場的電弧、高壓發(fā)電、電火花加工產(chǎn)生的電磁干擾、電源產(chǎn)生的工頻干擾等噪聲及干擾的危害：降低檢測裝置的分辨力和靈敏度，或引起放大器飽和而進(jìn)入非線性區(qū)，甚至使整個(gè)檢測系統(tǒng)工作失常抗干擾措施：1、接地技術(shù)2、屏蔽技術(shù)3、平衡技術(shù)4、調(diào)制解調(diào)技術(shù)5、電源退耦、濾波技術(shù)6、隔離技術(shù)7、看門狗技術(shù)475.3.1干擾的傳播途徑

1、靜電耦合

2、電磁耦合

485.3.1干擾的傳播途徑（續(xù)）

3、電磁輻射

4、共阻抗耦合

495.3.2屏蔽技術(shù)

505.2.3接地技術(shù)

1、采樣與量化515.2.3接地技術(shù)（續(xù)）1、采樣與量化同相比例放大Au=1十Ri／R2

R1-+A+-USRSR2UFU0輸入阻抗增益

ri+=ri(1十AF)

ri——運(yùn)放的開環(huán)輸入阻抗A——運(yùn)放的開環(huán)增益F——電路的反饋系數(shù)例：某放大器ri

＝104Ω開環(huán)增益為104

，F(xiàn)＝0.1（閉環(huán)增益為10），則放大器的閉環(huán)輸入阻抗為107Ω。反相比例放大Au=–Rf/R1

USS+-U0-+AR1R2Rf限制帶寬增益特點(diǎn)：性能穩(wěn)定，但輸入阻抗較低注意：在實(shí)際電路中，由于電阻的最大值不能超過10MΩ，R如果要提高反相放大器的輸入阻抗，電路的增益要受到限制。電流電壓變換放大U0=―Rf·is

U0-+R1R2Rfi1ioAIS增益放大電路的精度取決于Rf的穩(wěn)定性差動(dòng)放大U0-+AR1R1R2R2UCUS/2US/2U－U+U1U2++++----

擴(kuò)大輸入共模電壓范圍增益特點(diǎn)：提高電路共模抑制比，減小溫度漂移。自舉型高輸入阻抗放大器I1R2R1UiA1U0A2RpR1RpR2R2IIiU01-++-A1斬波穩(wěn)零放大器1.閉環(huán)狀態(tài)斬波穩(wěn)零放大器

Ф1Ф200T1T1T2T2A1OSC+－+_A2+_UiC1S1S3S2Ф1Ф2①②②①A3_+UoC2②①圖中開關(guān)S2和電容C1以及S3、C2、A3分別構(gòu)成兩個(gè)采樣—保持電路。第一個(gè)采樣—保持電路用來對放大器Al進(jìn)行動(dòng)態(tài)校零；第二個(gè)采樣—保持電路用來維持輸出電壓的連續(xù)性。內(nèi)部時(shí)鐘CP由振蕩器(OSC)提供，若在時(shí)鐘。0~T1時(shí)間內(nèi)，開關(guān)S1、S2、S3，停在①端位置，即S2接通、S1、S3斷開，相應(yīng)電路狀態(tài)如下圖。電路的工作分兩個(gè)階段，由時(shí)鐘控制開關(guān)完成。第一階段為誤差檢測與寄存第二階段為動(dòng)態(tài)校零和放大放大器工作狀態(tài)之一A2+_A1+_UOS1UC1UOS2UO1C1+_UC2UOA3_+C2+_在此時(shí)間內(nèi)電容Cl記存了Al的失調(diào)電壓Uos1，此段時(shí)間是放大器誤差檢測和寄存階段。由于此時(shí)A3與A1之間被切斷(S3斷開)，所以A3的輸出電壓UO為U0=Uc2

C2上記有的電壓Uc2，是前一時(shí)刻放大器A1的輸出電壓。在時(shí)鐘T1～T2時(shí)間內(nèi)，開關(guān)S1、S2、S3停留在②端位置上，即S1、S3接通、S2斷開，相應(yīng)的電路狀態(tài)如圖放大器工作狀態(tài)之二A1+_A3_+Ui－+－+++__Uos1Uc1Uc2Uo1C1C2U0這時(shí)，Al同相端與輸入信號(hào)Ui接通，由于A1的反相端還保存著前一時(shí)刻的失調(diào)電壓Uc1＝Uos1，所以這時(shí)A1的輸出電壓Uol為上式表明，A1的輸出電壓不受放大器失調(diào)電壓的影響，只與輸入信號(hào)電壓有關(guān)。因此，此段工作時(shí)間稱為“動(dòng)態(tài)校零和放大輸入信號(hào)”的工作階段。這時(shí)總輸出電壓Uo為當(dāng)時(shí)鐘控制開關(guān)再回到①端位置時(shí)，Uc2保持不變，放大器A3(接成跟隨器工作)繼續(xù)以A1vUi的幅值向外輸出，保證了輸出電壓的連續(xù)性。開關(guān)的反復(fù)通斷，Al的漂移不斷被校正，這就是動(dòng)態(tài)校零的工作原理。開關(guān)S1、S2、S3一般用MOSFET完成。2.開環(huán)狀態(tài)斬波穩(wěn)零放大器(失調(diào)誤差逐級存儲(chǔ)放大器)開環(huán)狀態(tài)斬波穩(wěn)零放大器原理圖+_A2+_A1UiUosUo1UcU01’S1S2CU0當(dāng)開關(guān)S1、S2都接地，即開關(guān)處于圖示位置時(shí)，放大器輸入端對地短路，輸出失調(diào)電壓Uoff使電容器C兩端充電至Uc=Uoff。Uoff為Uoff=A1dUos

電容C上存儲(chǔ)的誤差信號(hào)為放大器輸出失調(diào)電壓，電容器C又稱為記憶電容器。A1d為A1放大器的開環(huán)電壓增益。當(dāng)開關(guān)S2斷開，S1接通輸入信號(hào)Ui時(shí)，放大器輸出電壓U0為輸出到下一級的電壓可見，輸出失調(diào)電壓完全抵消。即失調(diào)電壓被存儲(chǔ)在輸出回路的串接電容兩端，利用此電壓自行抵消放大器輸出的失調(diào)，達(dá)到穩(wěn)零的目的。由于誤差采樣期間放大器處于開環(huán)運(yùn)用，必須防止放大器被失調(diào)電壓驅(qū)入飽和狀態(tài)。因此，每級的增益不能太高，一般低于100倍。為獲得足夠高的總增益，需要多級放大器串接，從而構(gòu)成逐級采樣存儲(chǔ)MOS集成運(yùn)放，如圖。UoUi+_A1+_A2+_A3

S1S2S3S4C1C2Cn電路工作的兩個(gè)階段由時(shí)鐘控制MOSFET開關(guān)完成。以上分析建立在下一級Ri無窮大、Ci為零的理想條件下。如果不滿足條件，則由于輸入電阻引起的電流以及由于輸入電容引起的電荷再分布，都會(huì)使即失調(diào)電壓不能被完全抵消。此外，時(shí)鐘控制脈沖經(jīng)分布電容耦合到MOS管柵極，也將引入失調(diào)電壓。實(shí)驗(yàn)表明，采用斬波穩(wěn)零后，總失調(diào)電壓可減小兩個(gè)數(shù)量級，且溫度穩(wěn)定性很好。在實(shí)際電路中，采用差動(dòng)式失調(diào)逐級存儲(chǔ)斬波穩(wěn)零放大器，可進(jìn)一步改善失調(diào)和漂移，這種電路常見于大規(guī)模MOS模擬集成電路之中，如用作A／D(模／數(shù))轉(zhuǎn)換器或比較器。儀用放大器測量放大器由兩級組成，兩個(gè)對稱的同相放大器構(gòu)成第一級，第二級為差動(dòng)放大器——減法器-+A3-+A1-+A2R4R6R7R5R2R1RGV1V2V4V5V3V6V0IG失調(diào)參數(shù)的影響

+-A3-+A2+-A1R1⊿V2⊿V1RGR2=R1R4R4R5R5⊿V0⊿V3假設(shè)由三運(yùn)放失調(diào)電壓VOS及失調(diào)電流IOS所引起的誤差電壓折算到各運(yùn)放輸入端的值分別為ΔV1、ΔV2和ΔV3,誤差電壓極性如圖。假設(shè)輸入信號(hào)為零，則輸出誤差電壓為：若R4=R5

圖示極性的ΔV1和ΔV2所引起的輸入誤差是相互抵消的。若運(yùn)放A1和A2的參數(shù)匹配，則失調(diào)誤差大為減小。ΔV3折算到放大器輸入端的值為2ΔV3/Af1，所以等效失調(diào)參數(shù)很小，即對運(yùn)放A3的失調(diào)參數(shù)要求可降低些。A1VoR11R1A3R8Vi2R7R6Vi1R9R10A2R2R3R4R5RW氖泡NL222kNL122k氖泡10k10k2k22k22k22k22k2k9k10k圖為用于人體心電信號(hào)檢測的實(shí)用三運(yùn)放電路。為了避免外科手術(shù)過程中可能存在的高電壓進(jìn)入放大器造成損壞，圖中使用了兩個(gè)微型的氖燈NL1、NL1，作為電壓限幅器。微型的氖燈價(jià)廉且具有對稱性，當(dāng)兩端的電壓低于擊穿電壓時(shí)其電阻接近于無窮大，所以它對電路沒有負(fù)載影響。一旦兩端的電壓超過其擊穿電壓(一般為60V)，則氖燈迅速導(dǎo)通(擊穿后，氖燈本身呈負(fù)阻特性)，使其兩端的電壓降低接近于零伏，從而保護(hù)了放大器。圖中電位器RW用于調(diào)整電阻的比例使得電路的共模抑制比最大。調(diào)試電路是，在兩輸入端加載一個(gè)1V左右的信號(hào)(一般為50Hz)，調(diào)整電位器RW使電路的輸出最小，即共模電壓增益最小，從而共模抑制比最大。如果電路中有需要調(diào)整的參數(shù)，通常是電阻阻值（有時(shí)也需要調(diào)整電容值），把要調(diào)整的參數(shù)分成兩部分：固定部分和可調(diào)整部分。在一般的要求時(shí)，固定部分的取值為該參數(shù)總的標(biāo)稱值的90%，可變部分為20%。在要求比較高時(shí)，固定部分的取值為該參數(shù)總的標(biāo)稱值的99%，可變部分為2%。隔離放大電路指前級放大器與后級放大器之間沒有電的聯(lián)系，而是利用光或磁來耦合信號(hào)。iFiOiFiO()iFiOceiFiOec()硅光敏二極管：傳輸線性良好和線性范圍寬，傳輸增益最小；硅光敏三極管：有一定傳輸增益，但小電流與大電流增益嚴(yán)重不一致，傳輸線性較差；達(dá)林頓型：由于經(jīng)過兩次電流放大，故傳輸增益最大，但傳輸線性最差。一般使用硅光敏三極管或達(dá)林頓型光電耦合器作模擬信號(hào)傳輸時(shí)，應(yīng)合理地選擇工作點(diǎn)，并將其工作范圍限制在近似的線性傳輸區(qū)。在要求低失真和寬頻帶的高性能傳輸時(shí)，宜用光敏二極管型，這時(shí)可采用外接放大器來彌補(bǔ)其傳輸增益低的缺點(diǎn)。注意：光電隔離放大器的前、后級之間不能有任何電的連接。即使是“地線”也不能連接在一起，前、后級也不能共用電源，否則就失去了隔離的意義。一般前級放大器可以采用電池供電，或采用DC/DC變換器供電。VCCViA2RW1R1OE1VCCVOECCECCRW2RW3RW4R2R3OE2A2VCCVCCA1ViR2R1A2R3TOEVOE第四節(jié)光電檢測系統(tǒng)的噪聲與抑制一、噪聲的類型

二、噪聲的等效處理

三、典型光電檢測電路的噪聲估算一、噪聲的類型1.熱噪聲

2.散粒噪聲

3.產(chǎn)生-復(fù)合噪聲

4.1/f噪聲

5.溫度噪聲1.熱噪聲熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的，任何有電阻的材料都有熱噪聲。當(dāng)電阻處于環(huán)境溫度高于絕對零度的條件下，由于內(nèi)部雜亂無章的自由電子的熱運(yùn)動(dòng)，形成起伏變化的噪聲電流，其大小與極性均在隨機(jī)變化，其長時(shí)間的平均值等于零。但是在短時(shí)間間隔內(nèi)，這些電流的隨機(jī)起伏就形成噪聲電流。由于載流子的均方速度與熱力學(xué)溫度成正比，噪聲電流隨溫度增高而增加，因此稱為熱噪聲。2.散粒噪聲光電探測器的散粒噪聲是由于載流子的微粒性引起的。這是一種在光電子發(fā)射器件和光伏型器件中出現(xiàn)的噪聲，如光電倍增管的光陰極和二次電子發(fā)射；光伏器件中穿過P-N結(jié)的載流子漲落等。3.產(chǎn)生-復(fù)合噪聲光電導(dǎo)探測器因光或熱激發(fā)產(chǎn)生載流子和載流子復(fù)合這兩個(gè)隨機(jī)性過程，引起電流隨機(jī)起伏形成產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。這是半導(dǎo)體輻射探測器件中的一種主要噪聲。4.1/f噪聲1/f噪聲又稱閃爍噪聲，它也是半導(dǎo)體輻射探測器件中的一種基本噪聲，通常是由元器件中存在局部缺陷或有微量雜質(zhì)所引起的。5.溫度噪聲無輻射存在時(shí)，探測器在某一平均溫度T0附近呈現(xiàn)一個(gè)小的起伏，這種溫度起伏引起的探測器輸出起伏稱為溫度噪聲。這是熱敏探測器件的主要噪聲，它限制了熱敏探測器所能探測的最小輻射能量。第五節(jié)前置放大及光耦合電路一、前置放大電路的設(shè)計(jì)

二、光耦合電路的設(shè)計(jì)一、前置放大電路的設(shè)計(jì)圖5-40探測器與偏置

電路的等效

a)恒壓源b)恒流源(一)前置放大器的設(shè)計(jì)步驟1)測試或計(jì)算光電探測器及偏置電路的源電阻Rs。

2)從噪聲匹配原則出發(fā)，選擇前置放大器第一級的管型。

3)在管型選定之后，第一、第二級應(yīng)采用噪聲盡可能低的器件，按照最佳源電阻的原則來確定管子的工作點(diǎn)，并進(jìn)行工作頻率、帶寬等參量的計(jì)算及選擇。(二)放大器頻率及帶寬的確定1)根據(jù)所采用的光電探測器的噪聲譜和選定放大器的典型噪聲譜，確定工作頻率。

2)光電檢測系統(tǒng)中按照白噪聲的特點(diǎn)，工作頻率選定后，應(yīng)盡可能減小電路的頻帶寬度。

3)當(dāng)信號(hào)頻率在一定范圍內(nèi)變化，不能選用固定頻率的窄帶濾波方式工作時(shí)，除確定必要的窄帶外，可采用設(shè)計(jì)選通積分器的方法來抑制噪聲。

4)在某些系統(tǒng)如脈沖系統(tǒng)中，為保持信號(hào)的波形，必須采用頻帶寬度較寬的處理電路，電路系統(tǒng)的頻率特性由濾波器帶寬決定。圖5-41探測器噪聲的頻率特性

a)典型探測器的噪聲譜b)晶體管噪聲系數(shù)的頻率特性1.放大器的噪聲模型圖5-42放大器噪聲模型

—信號(hào)源電阻—信號(hào)源電阻的熱噪聲電壓

—信號(hào)源電壓—放大器輸入阻抗1.輸入電路設(shè)計(jì)圖5-44常用光耦合器輸入電路

a)高電平驅(qū)動(dòng)b)低電平驅(qū)動(dòng)c)增大電流驅(qū)動(dòng)2.輸出電路設(shè)計(jì)圖5-45常用光耦合器輸出電路

a)同相輸出形式b)反相輸出形式c)電流放大輸出能力目標(biāo)：能夠選用紅外光電傳感器來設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)光電自動(dòng)控制電路實(shí)踐任務(wù)：1）光電傳感器的選型

2）設(shè)計(jì)光電自動(dòng)控制功能的電路

3）制作光電自動(dòng)控制功能的電路自動(dòng)取款機(jī)光控提醒電路的設(shè)計(jì)與制作第六節(jié)光電檢測電路應(yīng)用實(shí)例耳畔傳來動(dòng)聽的聲音：“您好，歡迎使用……當(dāng)你受到非法人身侵犯時(shí)，請撥打110.”思考：如何實(shí)現(xiàn)？一、光電傳感器基礎(chǔ)知識(shí)1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hf的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。

機(jī)電工程分院光電效應(yīng)的分類：

1）在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。

2）在光線的作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管及光敏晶閘管等。

3）在光線的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。我們選用的為內(nèi)光電效應(yīng)的傳感器。名稱圖形光譜特性工作方式光敏電阻可見光電阻變化光