光电检测发电路设计ppt课件.ppt

：使给定的输入光信号在允许的非线：使给定的输入光信号在允许的非线性失真条件下有最佳的信号传输系数，得到最大的功率、电压或性失真条件下有最佳的信号传输系数，得到最大的功率、电压或电流输出。电流输出。 ：满足信号通道所要求的频率选择：满足信号通道所要求的频率选择性或对瞬变信号的快速响应。性或对瞬变信号的快速响应。 ：具有为可靠检测所必需的信噪比：具有为可靠检测所必需的信噪比或最小可检测信号功率。或最小可检测信号功率。 。 缓慢变化的光信号通常采用缓慢变化的光信号通常采用。 直流检测电路的计算重点在于直流检测电路的计算重点在于，由于光电检测器件伏安特性的非线性，一般采用非线性电路的由于光电检测器件伏安特性的非线性，一般采用非线性电路的和和来计算。来计算。 我们将根据器件伏安特性的性质分作：我们将根据器件伏安特性的性质分作：、和和三种基本类型。三种基本类型。6.1 恒流源型光电检测电路的静态计算恒流源型光电检测电路的静态计算恒流源型光电检测器件的伏安特性恒流源型光电检测器件的伏安特性a) a) 光电倍增管光电倍增管 b) b) 光电二极管光电二极管 c) c) 光电三极管光电三极管 在工作电压较小的范围内曲线呈弯曲的趋势，并且有一转在工作电压较小的范围内曲线呈弯曲的趋势，并且有一转折点折点M M。 工作电压加大后曲线逐渐平直。工作电压加大后曲线逐渐平直。 对于不同的输入光通量，各曲线间近似平行且间距随光通对于不同的输入光通量，各曲线间近似平行且间距随光通量增大趋于相等。量增大趋于相等。 式中，式中，U(I)是非线性函数。上式可利用图解法进行计算。是非线性函数。上式可利用图解法进行计算。 LbLbIRUIUIRIUU 在伏安特性上划出负载线在伏安特性上划出负载线Ub-IRL，它是它是斜率为斜率为-1/-1/RL、通过通过UUb点的直线。与纵轴交于点的直线。与纵轴交于Ub/ /RL点点上。上。 如果输入光通量为如果输入光通量为o，则负载线和对应于输入光通量为则负载线和对应于输入光通量为o时的器件伏安时的器件伏安特性曲线的交点特性曲线的交点Q即为输入电路的即为输入电路的。 当输入光通量由当输入光通量由o改变改变+ +（或或- - ）时，在光电二极管两端产生时，在光电二极管两端产生- -U（或或+ +U）的电压信号和的电压信号和+ +I（或或- -I）的电流信号。的电流信号。 当偏置电压当偏置电压Ub不变时，对于同样的输入光通量不变时，对于同样的输入光通量o o，负载线的斜率增大负载线的斜率增大光电二极管两端电压光电二极管两端电压U(I)减小减小。负载线的斜率变小负载线的斜率变小光电二极管两端电压光电二极管两端电压U(I)增大增大。 但但负载线越过特性曲线的转折点负载线越过特性曲线的转折点M M进入非进入非线性区，这会使线性区，这会使。321LLLRRR 但电路的功耗随之加大，并且过大的偏置电压但电路的功耗随之加大，并且过大的偏置电压。利用图解法确定输入电路的负载电阻。利用图解法确定输入电路的负载电阻RL和反向偏压和反向偏压Ub值时，应根据输值时，应根据输入光通量的变化范围和输出信号的幅度要求使入光通量的变化范围和输出信号的幅度要求使，以便以便得到不失真的最大电压输出，同时保证得到不失真的最大电压输出，同时保证。 例如在大信号检测情况下可以定性地看到输出信号的波形例如在大信号检测情况下可以定性地看到输出信号的波形畸变。畸变。 在用作光电开关的情况下可以借助图解法合理地选择电路参在用作光电开关的情况下可以借助图解法合理地选择电路参数使之能可靠的动作，同时保证不使器件超过其最大工作电流、数使之能可靠的动作，同时保证不使器件超过其最大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率。最大工作电压和最大耗散功率。 伏安特性的分段折线化和微变等效电路伏安特性的分段折线化和微变等效电路a) a) 折线化一折线化一 b) b) 折线化二折线化二 c) c) 等效电路等效电路折线化伏安特性可用下列参数确定：折线化伏安特性可用下列参数确定： U0：对应于曲线转折点对应于曲线转折点M M处的电压值。处的电压值。 G0：非线性区近似直线的初始斜率。非线性区近似直线的初始斜率。 G：线性区内各平行直线的平均斜率。线性区内各平行直线的平均斜率。 S：单位输入光功率所引起的光电流值。单位输入光功率所引起的光电流值。SGUIIUfIpd, 在输入光通量变化范围在输入光通量变化范围minmax为已知的条件下，用解析法计算输入为已知的条件下，用解析法计算输入电路的工作状态可按下列步骤进行。电路的工作状态可按下列步骤进行。由对应最大输入光通量由对应最大输入光通量max的伏安曲线的伏安曲线弯曲处即可确定转折点弯曲处即可确定转折点M。相应的转折电压相应的转折电压U0或初始电导值或初始电导值G0可由图中图示关系决定。可由图中图示关系决定。上式给出了折线化伏安特性四个基本参数上式给出了折线化伏安特性四个基本参数U0、G0、G和和S间的间的关系。关系。在线段在线段MNMN上有关系上有关系G0U0GU0+Smax由此可解得由此可解得 U0Smax/(G0-G)或或 G0G+Smax/U0 为保证最大线性输出条件，负载线和与为保证最大线性输出条件，负载线和与max对对应的伏安曲线的交点不能低于转折点应的伏安曲线的交点不能低于转折点M。设负载线设负载线通过通过M点，此时由上图点，此时由上图a a中的图示关系可得中的图示关系可得000UGGUULb000000000011GSGGUSGGUUSUUGGSGUUUGGbbbbLmaxmaxmaxmaxGGGGGSGGSGGGGUGGULLLLLLb000000maxmax 当输入光通量由当输入光通量由min变化到变化到max时，输出电压时，输出电压幅度为幅度为0UUUmax其中其中Umax和和U0可由图中可由图中M M和和H H点的电流值计算得到点的电流值计算得到 GGSGGSUGGSUGUGGSUGUSGUUUGMSGUUUGHLLLbLLbLbLbLminmaxmax0minmaxmax00minmaxmax点上：在点上：在输出电流幅度为：输出电流幅度为：LLLLGGSGGSGUGIII1minmax通常通常GLG，上式可简化为上式可简化为SI2GGSGGGGSSUIPLLL 已知硅光电二极管已知硅光电二极管2DU2的灵敏度的灵敏度Si=0.55A/W，结间漏置结间漏置电导电导G=0.02S，转折点电压转折点电压U0=13V，入射光功率从入射光功率从min=15W变到变到max=35W，供电偏电压为供电偏电压为Ub=55V。 求：求： 取得最大线性输出电压下最佳负载取得最大线性输出电压下最佳负载RL。 输出电压输出电压U。 (3) (3)输出电流输出电流I。SUSGUSGUGSGUUGiii51133555002010000000.)(maxmaxmax MGRSUUUGGGUUUGLLbLLb1621464013551351000000. 又又 VUUUVGGSUGUSGUUUGLibLbL72273520.)(maxminmaxminmaxmax AUGIIIL51072246403.)(minmax 6.2、光伏型光电检测电路的静态计算、光伏型光电检测电路的静态计算光伏型光电器件的伏安特性和等效电路光伏型光电器件的伏安特性和等效电路 光伏型光电器件的伏安特性光伏型光电器件的伏安特性是一组以是一组以入射光功率为参量入射光功率为参量的曲线的曲线组，分布在伏安坐标系的第四象限。组，分布在伏安坐标系的第四象限。由于由于器件的端电压器件的端电压U和电流和电流I的方向的方向相反，相反，对外电路形成电势，所以具对外电路形成电势，所以具有赋能元件的性质，可对负载供电。有赋能元件的性质，可对负载供电。有这种伏安特性的光电器件包括光有这种伏安特性的光电器件包括光电池和工作于光电池状态下的光电电池和工作于光电池状态下的光电二极管等。二极管等。 为二极管反向饱和电流为二极管反向饱和电流条件下条件下其中其中STIKTmVqkTU30026 1 TUUSPDPeIIIII SSPTIIIIUU ln无偏置电路及其等效电路无偏置电路及其等效电路 1 TUUSPDPLeIIIIIIRU 由于光电池特性的非线性，负载由于光电池特性的非线性，负载电阻的选择会影响光电池的输出信号。电阻的选择会影响光电池的输出信号。 例如在图中，对应光通量的增量例如在图中，对应光通量的增量1-2，在短路状态下（在短路状态下（RL0），），输输出电流增量出电流增量IIsc2-Isc1，输出电压为零。输出电压为零。 根据上述公式，根据上述公式，在同一入射光通量下在同一入射光通量下，负载电阻对光电池输出电压、电流、，负载电阻对光电池输出电压、电流、功率的影响曲线表示在图中。功率的影响曲线表示在图中。 由图可见，根据选用负载电阻的数值可以把光电池的工作状态分作：短路或由图可见，根据选用负载电阻的数值可以把光电池的工作状态分作：短路或线性电流放大、空载电压输出、线性电压放大和功率放大四个区域，分别由图中线性电流放大、空载电压输出、线性电压放大和功率放大四个区域，分别由图中、表示。下面讨论前三种工作状态。表示。下面讨论前三种工作状态。可以定量地描述负载电阻对电路工作状态（可以定量地描述负载电阻对电路工作状态（I、U、P）的影响：的影响： SSLPLTSSLPTUIRsPIIRUIRUUIUPIIRUIUUeIIITL lnln1 这是一种电流变换状态，在这种状这是一种电流变换状态，在这种状态下，后续放大器作为负载态下，后续放大器作为负载从光电池中从光电池中取得最大的输出电流取得最大的输出电流。为此要求负载电。为此要求负载电阻或后续放大器输入阻抗尽可能小。由阻或后续放大器输入阻抗尽可能小。由图可看到由于图可看到由于RL很小，输出电流接近于很小，输出电流接近于短路电流，它与短路电流，它与入射光通量有良好的线入射光通量有良好的线性关系性关系，即，即 SISIeIIISCRUIRSPLTL 01 在短路状态下在短路状态下 同一片光电池的短路电流或低阻负同一片光电池的短路电流或低阻负载时的负载电流与受光面积的变化曲线表示在下图中，图中载时的负载电流与受光面积的变化曲线表示在下图中，图中A A为受光面积。为受光面积。 这是一种非线性电压变换状态。此时这是一种非线性电压变换状态。此时光电池应通过高输入阻抗变换器与前级放光电池应通过高输入阻抗变换器与前级放大电路连接，相当于输出开路。开路电压大电路连接，相当于输出开路。开路电压可写成可写成STSPTSPTSSPTocISUIIUIIUIIIUUlnlnlnln 1 1 TUUSPeIIISSLPTIIRUIUU ln所以开路电压所以开路电压( (RL=时时) )可写成可写成 上式表明上式表明开路电压与入射光通量的对数成正比开路电压与入射光通量的对数成正比。并且由于。并且由于Ip与光电池面积成与光电池面积成正比，所以同一正比，所以同一光电池的开路电压与光电池面积的对数成正比光电池的开路电压与光电池面积的对数成正比，如图所示。，如图所示。STSPTSPTSSPTocISUIIUIIUIIIUUlnlnlnln 1STPTSPTocIUIUIIUUlnlnln STPTSPTocIUIUIIUU lnlnlnpPTocpTPTococIIUUIUIUUUlnlnlnSSII 又又 lnlnlnTocTocpPTococUUSSUUIIUUU 优点优点：通常光电池的开路电压为：通常光电池的开路电压为0.450.6V，在入射光强从零在入射光强从零到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中简单地利用到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中简单地利用Uoc的电压变化的电压变化不不需加任何偏置电源即可组成控制电路需加任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的优点。此外，由伏安特性，这是它的优点。此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这可以看到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这对弱光信号对弱光信号的检测特别有利的检测特别有利。 缺点缺点：光电池开路电压与入射光功率呈非线性关系；这种使用方式光电池开路电压与入射光功率呈非线性关系；这种使用方式的的频率特性不好频率特性不好，受温度影响也较大受温度影响也较大，这是它的不足之处。，这是它的不足之处。 这种工作状态在串联负载电这种工作状态在串联负载电阻上能得到与输入光通量近似成阻上能得到与输入光通量近似成正比的信号电压。正比的信号电压。增大负载电阻增大负载电阻有助于提高电压，有助于提高电压，但当负载增大但当负载增大到某一临界值到某一临界值RM(最佳负载电阻最佳负载电阻)时，输出信号开始非线性畸变。时，输出信号开始非线性畸变。 1 TLUIRSPeIII上式展开成幂级数上式展开成幂级数 .!2312111TLTLSTLUIRSPUIRUIRIUIRSeIIITL当当( (IRL/UT)1时，忽略高阶项，上式可简化为时，忽略高阶项，上式可简化为TLSURISI 1由于当由于当ISIp，所以，所以 SI该区域输出电流和输入光通量有线性关系该区域输出电流和输入光通量有线性关系临界电阻临界电阻RM的计算的计算 在电压轴上选取临界电压在电压轴上选取临界电压的垂直线，与对应伏安曲线相交于的垂直线，与对应伏安曲线相交于M点点，这样也可以得到临界电阻的负载线。此处，这样也可以得到临界电阻的负载线。此处。由于临界电阻。由于临界电阻RM上的电压上的电压UM为为 在线性关系要求不高的情况下，可以利用在线性关系要求不高的情况下，可以利用图解法简单地得到临界电阻图解法简单地得到临界电阻RM值。值。ocMMMURIU70.式中，式中，对应的输出电压的变化为，对应的输出电压的变化为所以，所以，RM值可近似计算为值可近似计算为max.SUIURocMocM7070 maxmax.ococpMUSSUIRU7070 对确定的负载电阻如对确定的负载电阻如RM，当输入光通量较小时负载上当输入光通量较小时负载上的输出电流和电压近似地随入射光通量成正比例增加，而的输出电流和电压近似地随入射光通量成正比例增加，而当入射光通量较大时输出电流和电压逐渐呈现饱合状态。当入射光通量较大时输出电流和电压逐渐呈现饱合状态。负载电阻愈大情况愈明显（如图中负载电阻愈大情况愈明显（如图中R R2 2的情况）。的情况）。光通量对输出信号的影响光通量对输出信号的影响 已知硅光电池已知硅光电池2CR32的受光面积为的受光面积为50mm2，在室温在室温30，入，入射光照度为射光照度为1000W/m2的条件下，的条件下，UOC=0.55V，ISC=1210-3A。在在200 W/m2 700 W/m2照度范围内，求：照度范围内，求： 取得最大线性输出电压下最佳负载取得最大线性输出电压下最佳负载RL。 (2)(2)输出电压输出电压U 。输出电流输出电流I。VEEUUUmWEWmAEISVUAImWETOCOCSCiOCSC5407001012550101210002261321.ln.max 时的时的时时 45700101254070707016.ESU.IU.RmaxiOCPOCM从经验公式可知 VEESRIRUiMPM27050010124526.)(minmax mAARUIM60060452703 .)(6.3、可变电阻型光电检测电路的静态计算、可变电阻型光电检测电路的静态计算 阻值随输入光通量改变的光敏电阻阻值随输入光通量改变的光敏电阻的伏安特性是一组的伏安特性是一组以输入光功率为参量的以输入光功率为参量的通过原点的直线组通过原点的直线组，在一定范围内光敏电，在一定范围内光敏电阻阻值不随外电压改变，仅取决于输入光阻阻值不随外电压改变，仅取决于输入光通量通量或光照度或光照度E，并有并有dpGGGIUR11式中，式中，G为亮电导、为亮电导、Gp是光电导，是光电导，Gd是暗电导。是暗电导。 当输入光通量变化时，通过光敏电阻的变化当输入光通量变化时，通过光敏电阻的变化R而引起负载电而引起负载电流的变化流的变化IL，有有LbLRRUIbLLLLLURRRIRURRRUILbL2SASGGAEGSgpppg光电导灵敏度光电导灵敏度 对光通量求导对光通量求导RSRGGSRdp22 22LLbLLLRRSRURIRU 上两式给出了由于输出光通量的变化上两式给出了由于输出光通量的变化引起的负载电流引起的负载电流和电压的变化量。和电压的变化量。222LbLbLRRSURRRRUI1 1、恒流偏置、恒流偏置上式表明输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比。上式表明输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比。 , ,负载电流负载电流IL变成变成LbLRUI 这表明负载电流与光敏电阻值无关，近似保持常数。这种电路称作恒流偏这表明负载电流与光敏电阻值无关，近似保持常数。这种电路称作恒流偏置电路。置电路。 随输入光通量随输入光通量的变化，负载电流的变化的变化，负载电流的变化I变成变成 222LbLbLRSURRRRUI 优点：优点：恒流偏置的电压信噪比较高，因此适用于高灵敏度恒流偏置的电压信噪比较高，因此适用于高灵敏度测量，这是它的优点。测量，这是它的优点。 缺点：缺点：但是由于但是由于RL很大，为使光敏电阻正常工作的偏置电很大，为使光敏电阻正常工作的偏置电压则很高（达压则很高（达100V以上），这给使用带来不便。为了降低电源电以上），这给使用带来不便。为了降低电源电压，通常采用晶体管作恒流器件来代替压，通常采用晶体管作恒流器件来代替RL。2 2、恒压偏置、恒压偏置 因此，光敏光阻上的电压因此，光敏光阻上的电压UR近似与电源电压近似与电源电压Ub相等。这种光敏电阻上的相等。这种光敏电阻上的电压保持不变的偏置称作恒压偏置。负载上的信号电压变成电压保持不变的偏置称作恒压偏置。负载上的信号电压变成 负载电压负载电压UL变成变成0LULbLLbLSRURRSRURU22式中式中S=G是光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因。上式表示恒压是光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因。上式表示恒压偏置的输出信号与光敏电阻值无关，偏置的输出信号与光敏电阻值无关，仅取决于电导的相对变化仅取决于电导的相对变化，这样，检测电路，这样，检测电路在更换光敏阻值时对电路初始状态影响不大。这是该电路的优点。在更换光敏阻值时对电路初始状态影响不大。这是该电路的优点。1、已知、已知CdS光敏电阻的最大功耗为光敏电阻的最大功耗为40mW,光电导灵敏度光电导灵敏度Sg=0.510-6S/lx，暗电导，暗电导g00，若给其加偏置电压若给其加偏置电压20V，此时此时入射到光敏电阻上的极限照度为多少？入射到光敏电阻上的极限照度为多少？ 精品课件精品课件！精品课件精品课件！ lxSGEEGSmSSRGKIURmAAUpIVUmWpggPPgPPPPP200105 . 0101 . 01011010101022021022010402040064maxmaxmaxmax4minmax33maxmin33maxmaxmax0又负载电阻为负载电阻为0时，光敏电阻流过的电流为最大。时，光敏电阻流过的电流为最大。