第五章-光電儀器中的光電探測及常用檢測電路

1、第五章 光電儀器中的光電檢測及常用檢測電路,5.1 光電探測器及其選用 5.2 光電信號檢測電路設(shè)計 5.3 時變光信號的調(diào)制檢測,概述,光電探測是光電儀器的重要組成部分，其探測原理如下：,光電儀器中的光電探測是通過光學(xué)變換與光電轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)的，而光電轉(zhuǎn)換技術(shù)是通過光電探測器及其相應(yīng)的集成電路來完成的。,光 源,照明光學(xué)系統(tǒng),被測對象,光學(xué)轉(zhuǎn)換,光電轉(zhuǎn)換,電路處理,控制,顯示,輻射源,光載波,光信號,電信號,光電探測,光電探測器：對各種光輻射進(jìn)行接收和探測的器件?？蛇m用的波長范圍包括紫外、可見光和紅外光譜區(qū)。,光輻射量,光電探測器,電量,光電探測器及其選用,光電探測器按探測機(jī)理的物理效應(yīng)可分為兩

2、大類：一類是利用各種光子效應(yīng)的光子探測器，另一類是利用溫度變化效應(yīng)的熱探測器。,在光電探測器的發(fā)展中，最受重視的是入射光子和材料中的電子發(fā)生各種相互作用的光電子效應(yīng)。 在眾多的光電子效應(yīng)中，只有光電子發(fā)射效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光電磁效應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。,光發(fā)射器件（光電子發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)）,金屬氧化物或半導(dǎo)體表面,自由電子,光輻射,光導(dǎo)器件（光電導(dǎo)效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)）,半導(dǎo)體材料,自由電子空穴,光輻射,電導(dǎo)率變化,光伏器件（光生伏特效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)）,光電磁器件（光電磁效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)）,金屬氧化物或半導(dǎo)體表面,電子-空穴對,光輻射,光生電動勢,垂直磁場中的半導(dǎo)體材料,載流子濃度梯

3、度,光輻射,光磁電動勢,光電探測器及其選用,光電探測器及其選用,光子探測器,固體光子器件,光發(fā)射器件,光導(dǎo)器件,光電磁器件,受激發(fā)的電子由光敏電極上發(fā)射到周圍的媒介中,光子引起材料中電子能量分布的變化，從而輸出所需的信號,光伏器件,光探測器的性能指標(biāo),所有的光探測器都是為探測某個特定波段或一個寬波段上的輻射能，并能輸出一個和所吸收的能量成正比的信號。,響應(yīng)度（率）（RV、RI）,響應(yīng)度是描述探測器靈敏度的參量，描述的是光電探測器的光電轉(zhuǎn)換效能。它表征探測器輸出信號與輸入輻射之間關(guān)系的參數(shù)。,定義為單位入射光功率作用下探測器的輸出電壓（流），即器件的輸出電壓（流）與輸入輻射功率之比，并分別用RV

4、 和RI 表示有：,對于紅外和激光輻射探測器，通常使用V/W或A/W為單位，對于可見光則常用mA/lm來表示，因?yàn)榱髅魇强梢娸椛涔β实膯挝唬?輸出信號用電壓表示：,輸出信號用電流表示：,光探測器的性能指標(biāo),量子效率（）,量子效率是評價光電器件性能的重要參數(shù)，它是在某一特定波長上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。,光探測器的性能指標(biāo),每秒入射光量子數(shù)： 每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)： 于是：,例 光子探測器的量子效率為1，用來探測He-Ne激光器發(fā)出的輻射。求其響應(yīng)度R。,解：由量子效應(yīng)為,故可得,信噪比（S/N）,信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率之

5、比，即：,噪聲等效功率（NEP）與噪聲等效輻照（NEI）,光探測器的性能指標(biāo),或, 與入射輻射功率、光敏面積有關(guān)。 如果入射輻射強(qiáng)，接收面積大，S/N就大，但性能不一定就好。因此用 S/N 評價器件有一定的局限性。,噪聲等效功率即最小可探測功率Pmin，定義為信號功率與噪聲功率之比為1（即S/N1）時，入射到探測器上的輻射通量（單位為W），即：,光探測器的性能指標(biāo), NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。一般一個良好的探測器的NEP10-11W。 僅用NEP這個指標(biāo)，無法比較兩器件的優(yōu)劣有局限性。,噪聲等效輻照為通過單位面積的輻射通量，定義為輸出信號等于探測器噪聲時，入射到探測器上的輻射通量密

6、度（單位為W/m2），即：, 此參數(shù)是為描述一個系統(tǒng)的性能而引入的，表征的是系統(tǒng)電路輸出信號的信噪比為1時在入射光瞳處所要求的通量密度。,NEP數(shù)值越小，表示探測器的探測能力越強(qiáng)，相對缺乏直觀性。為此引入了NEP的倒數(shù)定義為探測度D，即：,探測度（D）,光探測器的性能指標(biāo), 其描述了光電探測器在其噪聲水平上產(chǎn)生可觀測信號的本領(lǐng)。即探測器能響應(yīng)的入射功率越小，探測度越高。 探測度表征器件性能時，必須說明入射輻射的波長、探測器工作溫度、斬波器的頻率、器件上所加的偏置電流、探測器的接收面積和放大器的帶寬。,由于D與探測器光敏面積Ad 和放大器帶寬f 乘積的平方根成反比，故對于不同的器件來說D不是一個

7、理想的參量。,比探測度（D）,光探測器的性能指標(biāo),為克服此缺點(diǎn)，對探測度進(jìn)行歸一化處理，歸一化后的探測度稱為比探測度。表達(dá)式為, 比探測度是在入射到探測器上的輻射功率為1W，探測器的敏感面積為1cm2，放大器帶寬為1Hz的條件下測量的。用于不同放大器帶寬、不同光敏面積的光電探測器性能的比較。 D*可定義為對單色輻射或黑體輻射的響應(yīng)。對前者稱為光譜比探測度，通常在D*后附加測量條件D*(，f，f)表示。通常為光探測器的峰值波長，f為斬波器的頻率， f 為放大器的帶寬；后者用D*(T，f，f)表示，T為黑體的絕對溫度。,光探測器的性能指標(biāo),響應(yīng)時間是探測器對入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)，表征了器件對突然

8、變化的輸入信號的反應(yīng)速度。即當(dāng)入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應(yīng)時間。,響應(yīng)時間和頻率響應(yīng), 對光電池、光敏電阻及熱電探測器等器件，響應(yīng)時間定義為光電信號從零上升到穩(wěn)定值的1-e-1（即63%）或下降到穩(wěn)定值的e-1（即37%）所需要的時間。 對雪崩二極管、光電二極管及光電倍增管等響應(yīng)速度快的探側(cè)器件，響應(yīng)時間定義為光電信號從穩(wěn)定值的10上升到90或90下降到10所需的時間。,光探測器的性能指標(biāo),由于光電探測器信號的產(chǎn)生和消失存在一個滯后過程，所以入射光輻射的頻率對光電探測器的響應(yīng)會有較大影響。 光電探測器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)

9、制頻率變化而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。其表達(dá)式為, R(f )隨著f 的升高而下降，下降速度與時間常數(shù)的大小有關(guān)。右圖為探測器頻率響應(yīng)曲線。 從圖中可知時間常數(shù)決定了探測器頻率響應(yīng)的帶寬。,式中 R(f )頻率為 f 時的響應(yīng)度； R0頻率為零時的響應(yīng)度； RC為時間常數(shù)。,光譜響應(yīng),光譜響應(yīng)描述了輸出信號對輸入信號波長的函數(shù)關(guān)系。, 當(dāng)規(guī)定每單位波長間隔的輻射通量保持為常數(shù)，按該規(guī)定的理想光譜響應(yīng)曲線如下。, 當(dāng)規(guī)定每單位波長間隔所到達(dá)的光子速度保持為常數(shù)，按該規(guī)定的理想光譜響應(yīng)曲線如下。,光探測器的性能指標(biāo), 暗電流Id。即光電探測器在沒有輸入信號和背景輻射時所流過的電流(加電源時)。一般測

10、量其直流值或平均值。 線性度。線性度是描述探測器的光電特性或光照特性曲線輸出信號與輸入信號保持線性關(guān)系的程度。線性度是輻射功率的復(fù)雜函數(shù)，是指器件中的實(shí)際響應(yīng)曲線接近擬合直線的程度，通常用非線性誤差來度量：,光探測器的性能指標(biāo),其他參數(shù),式中：max為實(shí)際響應(yīng)曲線與擬合直線之間的最大偏差，I1和I2分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值。, 光電探測器還有其他的一些特性參數(shù)，在使用時需要特別注意。例如光敏面積、探測器的電阻、電容等。,探測器的噪聲,信號在傳輸和處理過程中總會受到一些無用信號的干擾，人們常稱這些干擾信號為噪聲。 光電探測器在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換過程中，同樣要引入噪聲，稱為光電探測器的噪聲。噪聲是

11、限制光電系統(tǒng)性能的決定性因素，是光電信號檢測中的不利因素。 噪聲是種隨機(jī)信號，任何時刻都不能預(yù)知其精確大小。它的值只能通過噪聲的統(tǒng)計特性，得出某時刻的可能數(shù)值，通常用電壓或電流的均方根的和決定。,顯然，噪聲un(t)表示了u(t)偏離us(t)的程度。,若us(t)表示信號，經(jīng)過傳輸或變換后輸出u(t)，則：,un(t)表示噪聲,探測器噪聲,內(nèi)部原因,外部原因,熱噪聲,產(chǎn)生復(fù)合噪聲,又稱為有形噪聲，通常由電、磁、機(jī)械等因素引起。一般可以預(yù)知，因而總可以設(shè)法減少和消除。,來自物理系統(tǒng)內(nèi)部，內(nèi)部材料、器件或固有的物理過程的自然擾動。表現(xiàn)為一種無規(guī)則起伏，稱為無規(guī)噪聲。,光子噪聲,噪聲的分類,根據(jù)噪

12、聲產(chǎn)生的原因，大體上可把噪聲分為人為噪聲、自然干擾和物理系統(tǒng)內(nèi)部的起伏干擾三類。,人為噪聲,自然噪聲,散粒噪聲,溫度噪聲,1/f 噪聲,放大器噪聲,探測器的噪聲,探測器的噪聲,光電器件中的噪聲是物理過程中固有的，為了提高信噪比，可增大信號值或減小噪聲大小。一般應(yīng)盡可能減小噪聲以提高信噪比。,Johnson噪聲,或稱熱噪聲，是由于自由載流子在電阻材料中的無規(guī)則熱運(yùn)動造成的噪聲。任何有電路的材料都有熱噪聲。 當(dāng)溫度高于絕對零度時，導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都作隨機(jī)運(yùn)動，使瞬時電流擾動會在探測器輸出端產(chǎn)生均方電流或均方電壓，其均方值為, 從式中可看出該噪聲與頻率無關(guān)，故稱為“白”噪聲。,注意：熱噪聲是溫

13、度T的函數(shù)，但不是溫度變化引起的溫度噪聲。,玻爾茲曼常數(shù),電阻,探測器的噪聲,例 計算1k電阻在300K（室溫）和600K時的噪聲等效功率NEP。設(shè) =1，=0.6328m。,解：依題意有,噪聲等效功率為,當(dāng)T=300K時有：,當(dāng)T=600K時有：,產(chǎn)生復(fù)合噪聲,在光和熱的作用下，半導(dǎo)體中由于載流子產(chǎn)生與復(fù)合的隨機(jī)性而引起的平均載流子濃度的起伏所產(chǎn)生的噪聲，又稱G-R 噪聲。, 非本征半導(dǎo)體器件的G-R噪聲電流和噪聲電壓為,探測器的噪聲, 近本征器件的G-R噪聲電流和噪聲電壓為,自由載流子總數(shù),自由電子總數(shù),探測器的噪聲,散粒噪聲,是在結(jié)型器件中發(fā)現(xiàn)的噪聲源。是由于光輻射作用或熱激發(fā)作用下，光

14、電子或載流子隨機(jī)產(chǎn)生電子所引起的噪聲。散粒噪聲電流的表達(dá)式為：, 零偏置時的電阻r0為,二極管電流,反向偏置飽和電流, 零偏置時，即當(dāng)I=0時的散粒噪聲電流為,等價于在零偏置環(huán)路電阻時的Johnson噪聲電流, 在反向偏置情況下，I=-I0，則散粒噪聲電流為,探測器的噪聲,溫度噪聲,只有在熱探測器上才能觀察到的一種噪聲源。它是由于材料的溫度起伏而產(chǎn)生的噪聲。當(dāng)材料的溫度發(fā)生變化時，由于有溫差的存在，因而引起材料有熱流量的變化，這種熱流量的變化導(dǎo)致產(chǎn)生物體的溫度噪聲。它的能量的均方起伏表達(dá)式為：, 溫度噪聲限制了熱探測器所能探測的最小輻射能量。,式中G為熱導(dǎo)系數(shù),溫度噪聲與熱噪聲在產(chǎn)生原因、表示

15、形式上有一定的差別，主要區(qū)別在于：,對于熱噪聲，材料的溫度T 一定，引起粒子隨機(jī)性波動，從而產(chǎn)生了隨機(jī)性電流in； 對于溫度噪聲，材料溫度有變化T，從而導(dǎo)致熱流量的變化，此變化就表示了溫度噪聲的大小。,探測器的噪聲,1/f 噪聲（低頻、閃變）,幾乎所有探測器都存在這種噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當(dāng)電流存在時在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。它主要出現(xiàn)在大約1kHz以下的低頻頻閾，而且與光輻射的調(diào)制頻率f 成反比，故稱為低頻噪聲或1/f 噪聲。其經(jīng)驗(yàn)公式為,式中 kf 與元件制作工藝、材料尺寸及表面狀態(tài)等有關(guān)的比例系數(shù)； 與流過元件的電流有關(guān)，通常2；

16、 與元件材料性質(zhì)有關(guān)(0.81.5)，大部分材料1。,光電信號檢測電路設(shè)計,對于大多數(shù)的光電裝置，光電器件需要通過檢測電路才能實(shí)現(xiàn)光電信號的變換作用。通常，光電檢測電路是由光電器件、輸入電路和前置放大器及耦合電路組成。,光電器件,輸入電路,前置放大器及耦合電路,輸出,光電變換：把被測光信號轉(zhuǎn)換成電信號,輸入電路：為光電器件提供正常的工作條件，進(jìn)行電參量的變換，同時完成和前置放大及耦合電路的電路匹配。,前置放大器及耦合電路：一是對微弱電信號進(jìn)行放大；二是匹配后置處理電路與檢測器件之間的阻抗。,光電檢測電路的設(shè)計要求,設(shè)計原則：根據(jù)光電信號的性質(zhì)、強(qiáng)弱、光學(xué)的和器件的噪聲電平以及輸出電平和通頻帶等技術(shù)要求來確定電路的連接形式和電路參數(shù)，保證光電器件和后續(xù)電路最佳工作狀態(tài)。使整個檢測電路滿足下列要求：, 光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)：光電靈敏度、線性范圍。 動態(tài)響應(yīng)