光电检测技术复习课件.ppt

光电检测电路的设计要求n灵敏的光电转换能力n快速的动态响应能力n最佳的信号检测能力n长期工作的稳定性和可靠性n根据这些要求，检测电路的设计通常包括的步骤为：根据这些要求，检测电路的设计通常包括的步骤为：电路静态计算电路静态计算、电路动态计算电路动态计算和和噪声估算噪声估算。光电信号输入电路的静态计算n对于缓慢变化的光信号通常采用直流电路进行检测。n直流电路的设计重点在于确定电路的静态工作状态，即进行静态计算。恒流源型器件光信号输入电路44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)折线化一折线化一b)折线化二折线化二c)等效电路等效电路n折线化伏安特性可用下列参数确定：na）转折电压转折电压Uo：对应于曲线转折点M处的电压值。nb）初始电导初始电导Go：非线性区近似直线的初始斜率。nc）结间漏电导结间漏电导G：线性区内各平行直线的平均斜率。nd）光电灵敏度光电灵敏度S：单位输入光功率所引起的光电流值。设输入光功率为P，对应的光电流为Ip，则有SIp/P式中的光功率P可以是光通量，也可以是光照度E。光通量和照度之间的关系为AE式中，A为光敏面受光面积。在输入光通量变化范围minmax为已知的条件下，用解析法计算输入电路的工作状态可按下列步骤进行。n1.确定线性工作区域确定线性工作区域在线段MN上有关系G0U0GU0+Smax由此可解得U0Smax/(G0-G)或G0G+Smax/U0上式给出了折线化伏安特性四个基本参数U0、G0、G和S间的关系。45用解析法计算输入电路用解析法计算输入电路a)确定线性区确定线性区b)计算输出信号计算输出信号2.计算负载电阻和偏置电压为保证最大线性输出条件，负载线和与max对应的曲线的交点不能低于转折点M。设负载线通过M点，此时由上图a中的图示关系可得：(Ub-U0)GLG0U0当已知Ub时，GLG0U0/(Ub-U0)Smax/Ub(1-G/G0)-Smax/G0)当RL1/GL已知时，UbSmax(GL+G0)/GL(G0-G)n3计算输出电压幅度由上图b，当输入光通量由min变化到max时，输出电压幅度为UUmax-U0，其中Umax和U0可由图中M和H点的电流值计算得到在H点：GL(Ub-Umax)=GUmax+Smin在M点：GL(Ub-U0)=GU0+Smax解上二式得Umax(GLUb-Smin)/(G+GL)U0(GLUb-Smax)/(G+GL)所以US(max-min)/(G+GL)S/(G+GL)上式表明输出电压幅度与输入光通量的增量和光电灵敏度成正比，与结间漏电导和负载电导成反比。4计算输出电流幅度由上图b，输出电流幅度为：IImax-IminUGL可得IGLUS(max-min)/(1+G/GL)通常GLG，上式可简化为IS(max-min)S5计算输出电功率由功率关系P=IU可得PGL(U)2GLS/(G+GL)2光伏型器体光电信号输入电路光伏型器体光电信号输入电路根据所选负载电阻的数值，光电池的工作状态可分为以下几种：（1）短路或线性电流放大：要求：负载电阻或后续放大电路的输入阻抗尽可能小。（2）空载电压输出要求：此时光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。（3）线性电压输出这种工作状态在串联的负载电阻上能得到与输入光通量近似成正比的信号电压，负载电阻增大有助于提高输出电压。但当增大到一定的临界值时，输出信号开始发生非线性畸变。可变电阻型光电器件输入电路的静态计算可变电阻型光电器件输入电路的静态计算恒流偏置：负载电流与光敏电阻值无关，近似保持常数。恒流偏置：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。这种电路称作恒流偏置电路。输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与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。偏置电压成正比。恒压偏置：光敏电阻上的电压保持不变的偏置称作恒压偏置。恒压偏置：光敏电阻上的电压保持不变的偏置称作恒压偏置。恒压偏置的输出信号与光敏电阻值无关，仅取决于恒压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，电导的相对变化，光电检测电路的动态设计光电检测电路的动态设计在分析和设计交变光信号检测电路时，需要解决下述几项动在分析和设计交变光信号检测电路时，需要解决下述几项动态计算问题态计算问题.1 1）确定检测电路的动态工作状态，使在交变光信号作用下负载上）确定检测电路的动态工作状态，使在交变光信号作用下负载上能获得非线性失真最小的电信号输出。能获得非线性失真最小的电信号输出。2 2）使检测电路具有足够宽的频率响应，以能对复杂的瞬变光信）使检测电路具有足够宽的频率响应，以能对复杂的瞬变光信号或周期性光信号进行无频率失真的变换和传输。号或周期性光信号进行无频率失真的变换和传输。输入电路动态工作状态的计算输入电路动态工作状态的计算1.后续电路的等效输入阻抗将和输入电路的直流负载电阻并联组成检测器的交流负载交流负载。2.建立直流工作点。利用转折点和偏置电压或负载电阻建立直流负载线。3.确定光功率的变化范围。4.利用解析法计算注意：交流负载线斜率为等效输入阻抗注意：交流负载线斜率为等效输入阻抗，直流负载线直流负载线斜率为通直流时电路中的负载电导。斜率为通直流时电路中的负载电导。光电二极管光电二极管交流交流检测电路检测电路415反向偏置光电二极管交流检测电路及计算反向偏置光电二极管交流检测电路及计算a)检测电路检测电路b)图解法图解法最大功率输出条件下：最大功率输出条件下：GLO=GbG图图a给出了反向偏置光电二极管交流检测电路的基给出了反向偏置光电二极管交流检测电路的基本形式。本形式。首先确定在交流光信号作用下电路的最佳工作状态。首先确定在交流光信号作用下电路的最佳工作状态。假定输入光照度为正弦变化，具有假定输入光照度为正弦变化，具有eE0Emsint的形式，光照度的变化范围为的形式，光照度的变化范围为E0Em。若在。若在信号通频带范围内，耦合电容信号通频带范围内，耦合电容Cc可认为是可认为是短路短路，则等，则等效交流负载电阻是效交流负载电阻是Rb和和RL的并联。的并联。则可建立回路方程为：则可建立回路方程为：过特性曲线的转折点过特性曲线的转折点M，以（，以（Gb+GL)为斜率，做为斜率，做交流负载线交流负载线MN。过特性曲线的转折点。过特性曲线的转折点M的目的是以的目的是以便能充分利用器件的线性区间，便能充分利用器件的线性区间，交流负载线与光照度交流负载线与光照度EE0对应的伏安特对应的伏安特性相交于性相交于Q点，该点点，该点对应交变输入光照度对应交变输入光照度的直流分量，是输入的直流分量，是输入直流偏置电路的静态直流偏置电路的静态工作点。通过工作点。通过Q点作点作直流负载线可以图解直流负载线可以图解得到偏置电阻得到偏置电阻Rb和电源和电源Ub的值。由图可知。的值。由图可知。（已知其中一项，求另一项）（已知其中一项，求另一项）下面来计算负载下面来计算负载RL上的输出电压和输出功率值。上的输出电压和输出功率值。负载电阻上的输出电压峰值负载电阻上的输出电压峰值Um可利用图可利用图b中阴影线三中阴影线三角形角形MHQ的数值关系计算。的数值关系计算。若交流负载线的斜率是若交流负载线的斜率是GL+Gb，设交流负载总电流峰，设交流负载总电流峰值为值为Im，则有，则有UmIm/(GL+Gb)另一方面，在图中的线段另一方面，在图中的线段MN上有电流关系：上有电流关系：M点点:IM=IQ+Im=IMd+IMP=G(UQ-Um)+SE(E0+Em)N点：点：IN=IQ-Im=INd+INP=G(UQ+Um)+SE(E0-Em)则，由则，由IM-IN=2Im可得：可得：ImSEEm-GUm代入上式，有代入上式，有UmSEEm/(Gb+GL+G)(4-34)负载电阻负载电阻RL上的输出功率上的输出功率PL为为:式中，式中，ILUm/RLGLUm是负载是负载RL上的电流峰值，上的电流峰值，代入（代入（4-34）式，可得：）式，可得：(4-35)将将P PL L对对G GL L求导数，令导数为零，可以得到最大功率输求导数，令导数为零，可以得到最大功率输出出下的负载电阻下的负载电阻R RL0L01/G1/GL0L0，可得，可得 即：所以可得：GL0=Gb+GRL01/GL0将所得到的负载电导代入式（4-34)和（435），可得阻抗匹配条件下负载的输出电压峰值Umo、最大输出功率有效值PLm和输出电流峰值Imo，为UmoSEEm/2GL0PLm(SEEm)2/8GL0GL0Umo2/2Im0=2PLm/Um0=SEEm/2最大功率输出条件的直流偏置电阻Rb0和电源电压Ub可用解析法计算。静态工作点Q的电流值由伏安特性有IQGUQ+SEE0由负载线有IQ(Ub-UQ)Gb求解上二式，有UQ(GbUb-SEE0)/(GGb)另一方面，在电压轴上工作点Q处的电压UQ为UQUmo+UMSEEm/2(Gb+G)+UM比较前二式可计算出Gb0或Rb0为Gb0SE(Em+2E0)+2GUM/2(Ub-UM)或或Rb0=2(Ub-UM)/(SE(Em+2E0)+2GUM)类似地，若Rb0已知则可由上式计算Ub值。通频带通频带F，它是检测电路上限和下限截止频率所，它是检测电路上限和下限截止频率所包括的频率范围。包括的频率范围。F愈大，信号通过能力愈强。愈大，信号通过能力愈强。图图417反向偏置光电二极管检测电路微变等效电路图反向偏置光电二极管检测电路微变等效电路图ULSEe/(g+GL+Gb+jCj)Cj/(g+GL+Gb)称作检测电路的时间常数。上限频率对应检测电路的不同工作状态，频率特性式可有不同的简化对应检测电路的不同工作状态，频率特性式可有不同的简化形式。形式。1）给定输入光照度，希望在负载上取最大功率输出时，给定输入光照度，希望在负载上取最大功率输出时，要求满足：要求满足：RLRb和和gRb（例如（例如RL10Rb）且）且gGb此时此时ULSEeRb/(1+j)时间常数时间常数RbCj上限频率上限频率fHC1/2RbCj3）电流放大时希望在负载上取得最大电流，电流放大时希望在负载上取得最大电流，要求满足：要求满足：RLRb且且g很小很小此时此时ULSEeRL/(1+j)时间常数时间常数RLCj上限频率上限频率fHC1/2RLCj由式（由式（443）可见，为了从光电二极管中得到足够的信）可见，为了从光电二极管中得到足够的信号功率和电压，号功率和电压，负载电阻负载电阻负载电阻负载电阻R RL L和和和和R Rb b不能很小不能很小不能很小不能很小。但过大的阻值又使高频截止频率下降，降低了通频带宽度。但过大的阻值又使高频截止频率下降，降低了通频带宽度。因此负载的选择要根据增益和带宽的要求综合考虑。因此负载的选择要根据增益和带宽的要求综合考虑。只有在只有在只有在只有在电流放大的情况下才允许电流放大的情况下才允许电流放大的情况下才允许电流放大的情况下才允许R R R RL L L L取得很小。取得很小。取得很小。取得很小。并通过后级放大得到足并通过后级放大得到足够的信号增益，因此，常常采用低输入阻抗高增益的电流放大够的信号增益，因此，常常采用低输入阻抗高增益的电流放大器使检测器工作在电流放大状态，以提高频率响应，而放大器器使检测器工作在电流放大状态，以提高频率响应，而放大器的高增益可在不改变信号通频带的前提下提高信号的输出电的高增益可在不改变信号通频带的前提下提高信号的输出电压。压。热噪声热噪声电阻噪声电压、电流的有效值分别为：n例:计算室温下1M电阻，如果检测电路放大倍数为1，则在电路通频带为f=30KHz时输出的热噪声电压有效值，及通频带为f=10MHz时输出的热噪声电压有效值。nf=30KHz UT=22.3Vnf=10MHz UT=400V 散粒噪声散粒噪声散粒噪声散粒噪声散粒噪声的量值不取决于温度，而由流过器件的平均电流决定。噪声电流、电压有效值：q为电子电荷量，IDC为光电流平均值等效处理：将各种器件的噪声等效为相同形式的均方值（或有效值）电流源的形式。两个电阻串、并联组成的合成电路，其综合噪声电流为：电阻和电容C并联情况下，噪声等效带宽fe 1/（4RC)并联RC电路对噪声的影响相当于使电阻热噪声的频谱分布由白噪声变窄为等效噪声带宽fe以光电倍增管为例，介绍光电检测电路的噪声估算方法。前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器的作用的作用1)从检测器输出端获得所需的电信号（能量、时间）；2)预放大检测器的输出信号，以获得较好的信号噪声比；3)进行阻抗变换，减少信号传输中的干扰。使能量、时间的测量更加准确电路设计中对前置放大器的要求是：低噪声、高增益、低输低噪声、高增益、低输入阻抗、足够的信号带宽和负载能力、良好的线性和抗干扰入阻抗、足够的信号带宽和负载能力、良好的线性和抗干扰能力。能力。放大器的噪声模型放大器的噪声模型:En In模型模型放大器所有噪声源都折算到输入端，内部无噪声。等效输入噪声等效输入噪声EniEn In的测量：的测量：(1)放大器输入端短路，即RS0，测得放大器输出端的噪声电压均方根值为 ，用Au除之，得En (2)取一个很大的电阻作为源电阻RS，测得放大器输出端的噪声电压均方根值为AuInRs,用AuRs除之，得In噪声系数噪声系数噪声系数噪声系数放大器总的输出噪声功率与源电阻在放大器输 出端的噪声功率之比。噪声系数的作用噪声系数的作用噪声系数的作用噪声系数的作用：用来量度放大器所引起的信噪比恶化程度。一个好的放大器应该是在源热噪声的基础上尽可能少的增加噪声，使得噪声系数接近为1 1。或者说，使放大器的输出信噪比接近于输入信噪比。噪声系数主要用来比较放大器的噪声性能，不一定是放大器噪声性能最佳的合适标志。如：同一个放大器，源电阻增大，热噪声随着最佳，使得噪声系数减少，但放大器本身噪声性能没有变。只有在源电阻相同情况下，减少噪声系数才有意义。噪声匹配噪声匹配噪声系数与源电阻Rs有关，并随着源电阻Rs的热噪声增大而减少。当源电阻足够大时，放大器噪声电流成为主要项，造成噪声系数随着源电阻的增加而增加。对某个源电阻Rs，噪声系数存在一个最小值，这时放大器在源热噪声的基础上噪声减到最小，这时对应的源电阻称为最佳源电阻R0：上式表明：当源电阻等于放大器噪声电压与噪声电流的比值时，噪声系数最小，这个特殊的源电阻称为最佳源电阻R0，上式就是噪声匹配条件。得到的噪声系数最小值为：注意注意注意注意：不要将噪声匹配与功率匹配混淆，最佳源电阻不是功率传输最大时的电阻，R0和放大器的输入阻抗没有直接关系，而是和放大器的噪声电压源En和噪声电流In有关n练习题：1.已知某光电二极管的灵敏度为0.1A/lm，静态工作点处输出电压为10V，电流为15A，转折电压U0为6V,入射光通量0150lm，求偏置电压和负载电阻，初始电导G0，及入射光通量变化范围内的输出电压U及输出电流I。n练习题：2.设电源电压为18伏，UQ12V,IQ=14A的光敏二极管上光从P=15w,变化到25w，若光通量在此区间内做正弦变化，要使输出交变电压的幅值为8V,求所需的负载电阻RL,结电导G,初始电导G0n练习题：3.已知某光电二极管的灵敏度为0.5A/lm，静态工作点处输出电压为16V，偏置电压Ub为40V,入射光通量53sinwt(lm)，结间电导G0.01s,最大功率输出条件下，其直流偏置电阻Rb0100M.求最大功率输出条件下负载电阻，及阻抗匹配条件下负载的输出电压峰值，最大输出功率有效值，和输出电流峰值。n练习题：4.已知某光电二极管的入射光通量53sinwt(lm)，转折电压UM为10V,结间电导G0.01s,最大功率输出条件下，负载的输出电压峰值为6V，最大输出功率有效值为2.5W.求二极管的灵敏度，最大功率输出条件下偏置电阻，阻抗匹配条件下负载的输出电流峰值及静态工作点处的电流值与电压值及电路的电源电压电压。5.光电导器件响应受哪些因素限制？光伏器件与光电导器件工光电导器件响应受哪些因素限制？光伏器件与光电导器件工作频率哪个更高？实际使用时如何改善其工作频率响应？作频率哪个更高？实际使用时如何改善其工作频率响应？答：光电导器件响应时间受半导体材料光生载流子的平均寿命，光电导器件响应时间受半导体材料光生载流子的平均寿命，入射光的照度，以及外电路中所加电压，负载电阻等影响时间入射光的照度，以及外电路中所加电压，负载电阻等影响时间的常数等的限制。多数光电导器件在的常数等的限制。多数光电导器件在01MHZ的频率范围内的频率范围内具有平坦的频率响应。实际使用中可以尽量提高使用照明度，具有平坦的频率响应。实际使用中可以尽量提高使用照明度，降低所加电压，施加适当偏置光照等都可以改善其频率响应。降低所加电压，施加适当偏置光照等都可以改善其频率响应。而对于光伏器件来说，其响应时间主要取决于：而对于光伏器件来说，其响应时间主要取决于：光生载流子扩散至结区的时间，光生载流子在电场作用下通过光生载流子扩散至结区的时间，光生载流子在电场作用下通过结区的漂移时间以及由结电容和负载电阻决定的时间常数。经结区的漂移时间以及由结电容和负载电阻决定的时间常数。经过精心设计的硅光伏二极管可以工作与几百兆赫兹的工作频率，过精心设计的硅光伏二极管可以工作与几百兆赫兹的工作频率，甚至更高。一般在制造工艺上器件光敏面做的很薄，结面积很甚至更高。一般在制造工艺上器件光敏面做的很薄，结面积很小，尽可能提高反向偏置电压，减小负载电阻等，都可以减少小，尽可能提高反向偏置电压，减小负载电阻等，都可以减少时间常数，使其工作频率更高。时间常数，使其工作频率更高。10.10.简述光电耦合器件的工作原理及特点。简述光电耦合器件的工作原理及特点。n n发光器件与光接受器件封装一体，但不接触，有很强的电气发光器件与光接受器件封装一体，但不接触，有很强的电气绝缘性，信号通过光传输。绝缘性，信号通过光传输。n n发光器件：，灯等发光器件：，灯等n n光接受器件：光电二极管三极管，光电光接受器件：光电二极管三极管，光电池，光敏电阻。池，光敏电阻。n n特点：特点：具有电隔离（欧姆）功能；具有电隔离（欧姆）功能；信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟数字信号；信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟数字信号；具有抗干扰和噪声能力；具有抗干扰和噪声能力；响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹），体积小，寿响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹），体积小，寿命长，使用方便；命长，使用方便；既有耦合特性，又有隔离功能；既有耦合特性，又有隔离功能；21.21.为什么发光二极管必须在正向电压作用下才能发为什么发光二极管必须在正向电压作用下才能发光？反向偏置的发光二极管能发光吗？光？反向偏置的发光二极管能发光吗？n n发光二极管是由发光二极管是由发光二极管是由发光二极管是由P P型和型和型和型和NN型半导体组成的二极管。型半导体组成的二极管。型半导体组成的二极管。型半导体组成的二极管。NN型材料型材料型材料型材料中的多数载流子是电子，中的多数载流子是电子，中的多数载流子是电子，中的多数载流子是电子，P P型材料中的多数载流子是空穴。型材料中的多数载流子是空穴。型材料中的多数载流子是空穴。型材料中的多数载流子是空穴。当加上正向偏压时，在外电场作用下，当加上正向偏压时，在外电场作用下，当加上正向偏压时，在外电场作用下，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P P区的空穴和区的空穴和区的空穴和区的空穴和NN区区区区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在在在在PNPN结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴每一次复合，将释放出与材料性质有关的复合和一个空穴每一次复合，将释放出与材料性质有关的复合和一个空穴每一次复合，将释放出与材料性质有关的复合和一个空穴每一次复合，将释放出与材料性质有关的复合能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来。的形式辐射出来。的形式辐射出来。的形式辐射出来。n n二极管的特性是单向并且是正向导通的，反向电阻很大，二极管的特性是单向并且是正向导通的，反向电阻很大，二极管的特性是单向并且是正向导通的，反向电阻很大，二极管的特性是单向并且是正向导通的，反向电阻很大，近似截止。发光二极管特性与普通二极管相同，只能正向近似截止。发光二极管特性与普通二极管相同，只能正向近似截止。发光二极管特性与普通二极管相同，只能正向近似截止。发光二极管特性与普通二极管相同，只能正向导通发光导通发光导通发光导通发光 。反向电阻很大，近似截止，当电压足够大时，。反向电阻很大，近似截止，当电压足够大时，。反向电阻很大，近似截止，当电压足够大时，。反向电阻很大，近似截止，当电压足够大时，就会发生反向击穿，所以反向偏置的发光二极管不能发光就会发生反向击穿，所以反向偏置的发光二极管不能发光就会发生反向击穿，所以反向偏置的发光二极管不能发光就会发生反向击穿，所以反向偏置的发光二极管不能发光复习提纲1.1.光电检测方法分类，各方法测量原理。光电检测方法分类，各方法测量原理。P7-10P7-10。2.2.光伏效应器件与光电导效应器件光伏效应器件与光电导效应器件光伏效应器件与光电导效应器件光伏效应器件与光电导效应器件各自优缺点和产各自优缺点和产生相应的优缺点原因。生相应的优缺点原因。P13-15.P13-15.3.3.亮电阻和暗电阻概念，光敏电阻的变化对输出的亮电阻和暗电阻概念，光敏电阻的变化对输出的影响。影响。4.4.光电二极管和光电三极管的工作原理，光电倍增光电二极管和光电三极管的工作原理，光电倍增管和光电耦合器的工作原理和特点。管和光电耦合器的工作原理和特点。恒流源光电器件有哪些？恒流源光电器件有哪些？5.5.光电信号输入电路的静态和动态分析，光电信号输入电路的静态和动态分析，P72-77P72-77，P85-87.P85-87.6.6.光电检测电路中引起高频和低频衰减的原因，电光电检测电路中引起高频和低频衰减的原因，电路频率特性的设计。路频率特性的设计。7、噪声分类，各噪声形成的原因；放大器等效输入噪声定义，最佳源电阻的定义，噪声匹配的条件和实现方法；前置放大器的作用和电路对前置放大器的要求。8.光电直接检测系统的概念，噪声源类型，量子测量极限的含义，视场角确定原则；光电直接检测系统的类型及其工作原理，如莫尔条纹测长仪和激光测距仪的原理。