南理工光电检测技术课程06缓变光信号检测电路的设计.ppt

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1、第六章、缓变光信号检测电路的设计第六章、缓变光信号检测电路的设计 光电检测电路是由光电检测电路是由光电检测器件、输入电路光电检测器件、输入电路光电检测器件、输入电路光电检测器件、输入电路和和前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器组成。组成。光电检测器件把被测光信号转换成相应的电信号。光电检测器件把被测光信号转换成相应的电信号。输入电路为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量变换（如将电输入电路为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量变换（如将电流或电阻转换成电压），同时完成和前置放大器的电路匹配。流或电阻转换成电压），同时完成和前置放大器的电路匹配。光电器件输出的微弱电信号由前置放大器进行放

2、大，前置放大器的另光电器件输出的微弱电信号由前置放大器进行放大，前置放大器的另一作用就是一作用就是匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。灵敏的光电转换能力灵敏的光电转换能力灵敏的光电转换能力灵敏的光电转换能力：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。快速的动态响应能力快速的动态响应能力快速的动态响应能力快速的动态响应能力：满足信号通道所要求的频率选择性：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

3、。或对瞬变信号的快速响应。最佳的信号检测能力最佳的信号检测能力最佳的信号检测能力最佳的信号检测能力：具有为可靠检测所必需的信噪比或：具有为可靠检测所必需的信噪比或最小可检测信号功率。最小可检测信号功率。长期工作的稳定性和可靠性长期工作的稳定性和可靠性长期工作的稳定性和可靠性长期工作的稳定性和可靠性。检测电路应满足下列技术要求：检测电路应满足下列技术要求：检测电路应满足下列技术要求：检测电路应满足下列技术要求：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直流检测电路直流检测电路直流检测电路。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确定电路的静态工作状态确定电路的静态工

4、作状态确定电路的静态工作状态确定电路的静态工作状态，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图解法图解法图解法图解法和和分段线性化的解析法分段线性化的解析法分段线性化的解析法分段线性化的解析法来计算。来计算。我们将根据器件我们将根据器件伏安伏安特性的性质分作：特性的性质分作：恒流源型恒流源型恒流源型恒流源型、光伏型光伏型光伏型光伏型和和可变电阻型可变电阻型可变电阻型可变电阻型三种基本类型。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

5、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。这种这种这种这种输出电流随器件端电压增大而变化不大的性质输出电流随器件端电压增大而变化不大的性质输出电流随器件端电压增大而变化不大的性质输出电流随器件端电压增大而变化不大的性质称恒流称恒流称恒流称恒流源特性

6、。源特性。源特性。源特性。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。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点上。点上。画出负载线画出负载线画出负载线画出负载线 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静态工作点静态工作点静态工作点静态工作点。当输入光通量由当输入光通量由o改变改变+（

7、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。光通量对输出信号的影响光通量对输出信号的影响光通量对输出信号的影响光通量对输出信号的影响负载对输出信号的影响负载对输出信号的影响负载对输出信号的影响负载对输出信号的影响 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，负载电阻负载电阻负载电阻负载电阻R RL L的减小的减小的减小的减小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)减小减小输出电压输出电压输出电压输出电压U Uo o减小减小减

8、小减小。负载电阻负载电阻负载电阻负载电阻R RL L的增大的增大的增大的增大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)增大增大输出电压输出电压输出电压输出电压U Uo o增大增大增大增大。但但过大的过大的过大的过大的R RL L会使会使会使会使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进入非线进入非线性区，这会使性区，这会使输出信号的波形发生畸变输出信号的波形发生畸变输出信号的波形发生畸变输出信号的波形发生畸变。电源对电路的影响电源对电路的影响电源对电路的影响电源对电路的影响 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

9、大的偏置电压会引起光电二极管的反向会引起光电二极管的反向会引起光电二极管的反向会引起光电二极管的反向击穿击穿击穿击穿。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负载线稍高于转折点负载线稍高于转折点负载线稍高于转折点负载线稍高于转折点M M M M，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U Ub b不大于器件的最大工作电压不大于器件的最大工作电压不大于器件的最大工作电压不大于器件的最大工作电压U Um

10、axmax。图解法特别适用于大信号状态下的电路分析图解法特别适用于大信号状态下的电路分析图解法特别适用于大信号状态下的电路分析图解法特别适用于大信号状态下的电路分析。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。图解法的应用：图解法的应用：伏安特性的分段折线化和

11、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：转折电压转折电压转折电压转折电压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。初始电导初始电导初始电导初始电导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。结间漏电导结间漏电导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。线性区内各平行直线的平均斜率。光电灵敏度光电灵敏度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。单位输入光功率所引起的光电流值。在输入光

12、通量变化范围在输入光通量变化范围minmax为已知的条件下，用解析法计算输入电路为已知的条件下，用解析法计算输入电路的工作状态可按下列步骤进行。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间的关间的关系。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

13、-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对应对应的伏安曲线的交点不能低于转折点的伏安曲线的交点不能低于转折点M。设负载线通设负载线通过过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当已知当已知当已知当已知U Ub b时，可计算出负载电导（阻）时，可计算出负载电导（阻）时，可计算出负载电导（阻）时，可计算出负载电导（阻）G GL L（R RL L）为为为为当当当当R RL L已知时，可计算偏置电源电压已知时，可计算偏置电源电压已知时，可计算偏置电源电压已知时，可计算偏置电源电压U Ub b为为为为 当输

14、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输出电流幅度为：输出电流幅度为：通常通常GLG，上式可简化为上式可简化为 已已知知硅硅光光电电二二极极管管2DU2的的灵灵敏敏度度Si=0.55A/W，结结间间漏漏置置电电导导G=0.02S，转转折折点点电电压压U0=13V，入入射射光光功功率率从从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

15、)(3)输出电流输出电流I。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

16、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。光电池的输出电流为：光电池的输出电流为：光电池的输出电流为：光电池的输出电流为：光电池的两端电压为：光电池的两端电压为：光电池的两端电压为：光电池的两端电压为：无偏置电路及其等效电路无偏置电路及其等效电路负载对输出信号的影响负载对输出信号的影响负载对输出信号的影响负载对输出信号的影响 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

17、IIsc2-Isc1，输出电压为零。输出电压为零。随着随着随着随着R RL L的增大，电流逐渐变小，输出电的增大，电流逐渐变小，输出电的增大，电流逐渐变小，输出电的增大，电流逐渐变小，输出电压随之增大，直到某一临界电阻压随之增大，直到某一临界电阻压随之增大，直到某一临界电阻压随之增大，直到某一临界电阻R RMM之后负载上的电压变得饱合之后负载上的电压变得饱合之后负载上的电压变得饱合之后负载上的电压变得饱合。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、功，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。率的影响曲线表示在图中。由图可

18、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：短路或线性电流放大短路或线性电流放大短路或线性电流放大短路或线性电流放大 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

19、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 优点：优点：优点：优点：在短路状态下在短路状态下器件噪声电流较低，信噪比改善，所以最适用于弱光器件噪声电流较低，信噪比改善，所以最适用于弱光器件噪声电流较低，信噪比改善，所以最适用于弱光器件噪声电流较低，信噪比改善，所以最适用于弱光信号的检测。信号的检测。信号的检测。信号

20、的检测。短路电流随受光面积的大小而改变短路电流随受光面积的大小而改变短路电流随受光面积的大小而改变短路电流随受光面积的大小而改变，同一片光电池的短路电流或低阻负载时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。此时光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大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。开路电压可电路连接，相当于输出开路。开路电压可写成写成空载电压输出空载电压输出空载电压输出空载电压输出所以开路

21、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。已知在给定入射光功率（光照度已知在给定入射光功率（光照度已知在给定入射光功率（光照度已知在给定入射光功率（光照度E E或光通量或光通量或光通量或光通量）下的开路电压下的开路电压下的开路电压下的开路电压U Uococ，求另一个入射光功率（光照度求另一个入射光功率（光照度求另一个入射光功率（光照

22、度求另一个入射光功率（光照度E E 或光通量或光通量或光通量或光通量）下的开路下的开路下的开路下的开路电压电压电压电压U Uococ。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，在入射光强从零到某一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需加任不需加任何偏置电源即可组成控制电路何偏置电源即可组成控制电路，这是它的优点。此外，由伏安特性可以看，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，这到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这对

23、弱光信号的检测对弱光信号的检测特别有利特别有利。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。空载电压输出电路的优缺点空载电压输出电路的优缺点线性电压输出线性电压输出线性电压输出线性电压输出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

24、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。上式展开成幂级数上式展开成幂级数当当(IRL/UT)1时，忽略高阶项，上式可简化为时，忽略高阶项，上式可简化为由于当由于当ISR R)的条件下的条件下的条件下的条件下,负载电流负载电流IL变成变成 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。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 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

25、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。这种光敏电阻上的电压相等。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保持不变的偏置称作恒压偏置。负载上的信号电压变成 在输入

26、电路中的负载电阻比光敏电阻小得多在输入电路中的负载电阻比光敏电阻小得多在输入电路中的负载电阻比光敏电阻小得多在输入电路中的负载电阻比光敏电阻小得多(R RL LR R)的条件下的条件下的条件下的条件下,负载电压负载电压UL变成变成式中式中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

27、是该电路的优点。1、光敏电阻光敏电阻R与与RL20k的负载电阻串联后接于的负载电阻串联后接于Ub12V的直流电源上。无光照时负载上的输出电压为的直流电源上。无光照时负载上的输出电压为U120mV，有光有光照时负载上的输出电压为照时负载上的输出电压为U22V。求：求：光敏电阻的暗电阻和亮电阻值。光敏电阻的暗电阻和亮电阻值。若光敏电阻的光电导灵敏度若光敏电阻的光电导灵敏度Sg6106S/lx，求光敏电阻所求光敏电阻所受的照度。受的照度。暗电阻和亮电阻的计算：暗电阻和亮电阻的计算：暗电阻和亮电阻的计算：暗电阻和亮电阻的计算：光敏电阻接收的照度：光敏电阻接收的照度：光敏电阻接收的照度：光敏电阻接收的照度：2、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，此时入此时入射到光敏电阻上的极限照度为多少？射到光敏电阻上的极限照度为多少？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。