第4光电信号检测电路课件.ppt

1、第第4章章 光电信号检测电路光电信号检测电路光电检测电路：光电检测电路：光电检测器件光电检测器件输入电路输入电路前置放大器前置放大器光信号光信号电信号电信号工作条件工作条件电路匹配电路匹配信号放大信号放大电路匹配电路匹配4.1 光电检测电路的设计要求光电检测电路的设计要求检测电路的设计要求：检测电路的设计要求：1.灵敏灵敏的光电转换能力的光电转换能力2.快速快速的动态响应能力的动态响应能力3.最佳最佳的信号检测能力的信号检测能力4.长期工作的长期工作的稳定性稳定性和可靠性和可靠性4.2 光电信号输入电路的静态计算光电信号输入电路的静态计算类型划分（伏安特性性质）：类型划分（伏安特性性质）：光电

2、器件光电器件恒流源型恒流源型光伏型光伏型可变电阻型可变电阻型光电信号输入电路的静态计算：光电信号输入电路的静态计算：恒流源型器件光电信号输入恒流源型器件光电信号输入 光伏型器件光电信号输入光伏型器件光电信号输入 可变电阻型器件光电信号输可变电阻型器件光电信号输入入4.2.1 恒流源型器件光电信号输入电路恒流源型器件光电信号输入电路恒流源特性：输出电流随器件端电压增大而变化不大的恒流源特性：输出电流随器件端电压增大而变化不大的性质。性质。典型器件：光电倍增管，光电二极管，光电三极管典型器件：光电倍增管，光电二极管，光电三极管伏安特性曲线：伏安特性曲线：U/V040012345100lmi/mA7

3、5lm50lm25lm0800光电倍增管光电倍增管040080010000 lx6000 lx4000 lx2000 lx500 lx4080U/Vi/uA光电二极管光电二极管（反向偏置）（反向偏置）0412816i/mAU/V5105mW/cm210mW/cm215mW/cm220mW/cm2M光电三极管光电三极管转折点转折点M 各曲线近似平行，间距随各曲线近似平行，间距随或或E的增大趋于相等的增大趋于相等 伏安特性与晶体三极管集电极特性相似，采用与晶伏安特性与晶体三极管集电极特性相似，采用与晶体管放大器类似的方法进行分析。体管放大器类似的方法进行分析。图解计算法图解计算法解析计算法解析计算

4、法静态静态：放大电路没有输入信号时的工作状态：放大电路没有输入信号时的工作状态静态分析：确定放大电路的静态值静态分析：确定放大电路的静态值直流值直流值动态动态：放大电路有输入信号时的工作状态：放大电路有输入信号时的工作状态动态分析：确定放大电路的输入电阻、输出电阻、放动态分析：确定放大电路的输入电阻、输出电阻、放大倍数等大倍数等 对缓慢变化的光信号，采用直流电路进行检测，对缓慢变化的光信号，采用直流电路进行检测，需要进行静态计算以确定电路的静态工作状态需要进行静态计算以确定电路的静态工作状态1.图解计算法图解计算法分析：反向偏置下光电二极管的光电信号输入电路分析：反向偏置下光电二极管的光电信号

5、输入电路基本电路：基本电路：U+_UbRLI U回路方程：回路方程：LbIRUIU +I-I+U-UI IQ QQUQUb/RLUbarctan(1/RL)0+0-iUO0画出负载线：画出负载线：LbIRUIU 交点：交点：Ub、Ub/RL确定静态工作点确定静态工作点Q：负载线与对应：负载线与对应0伏安特性的交点伏安特性的交点输入光通量变化输入光通量变化，对应信号输出：，对应信号输出：IU ,适用大信号下电路分析：如检测大信号下波形畸变适用大信号下电路分析：如检测大信号下波形畸变负载电阻负载电阻RL与与Ub对输出信号的影响对输出信号的影响iUUb0-0+0OMRL1RL2RL30-0+0Ub1

6、Ub2Ub3UiO功耗限制功耗限制Ub恒定：恒定：RL I ，U(I)为提高输出信号电压为提高输出信号电压U(I)，应增大，应增大RL，并使，并使负载线不进入非线性区负载线不进入非线性区RL恒定：恒定：Ub U(I)，线性度线性度，功耗功耗保证保证Ub=Umax2.解析计算法解析计算法对伏安特性的非线性部分进行分段折线化对伏安特性的非线性部分进行分段折线化arctan GU0QUQIQIpIdarctan G0arctan G0arctan GU0iUOM作直线与曲线相切作直线与曲线相切MOUi连线连线MO参数参数：转折电压转折电压U0初始电导初始电导G0结间漏电导结间漏电导G 光电灵敏度光电

7、灵敏度S S=Ip/或或 S=Ip/E线性区内任意点线性区内任意点Q处的电流：处的电流：I=Id+Ip=GU+S分析步骤：分析步骤：ImaxIminIHUmaxUb-U0arctan GiUO=0maxminUbarctan GLarctan G0MU0N确定线性工作区域确定线性工作区域计算计算RL与与Ub计算输出电压幅度计算输出电压幅度 U=Umax-U0计算输出电流幅度计算输出电流幅度 I=Imax-Imin计算输出电功率计算输出电功率4.2.2 光伏型器件光电信号输入电路光伏型器件光电信号输入电路光伏型器件等效电路：光伏型器件等效电路：输出电流：输出电流：pkTqUIeII1/0令令 U

8、T=kT/q，重新定义电流方，重新定义电流方向得：向得：1/0TUUpeIII而：而：00lnIIIIUUpT1.光伏型器件输入电路的形式光伏型器件输入电路的形式2.无偏置输入电路的静态计算无偏置输入电路的静态计算无偏置光电池输入电路无偏置光电池输入电路的等效电路：的等效电路：回路方程：回路方程：LIRU 1/0TUUpeIII图解计算法：图解计算法：RL ：U ,U 直到临界直到临界RM，RL ：U饱和，饱和，I RL恒定：恒定：较小：较小：U、I近似随近似随成成比例增加比例增加RL对输出信号的影响：对输出信号的影响：较大：较大：U、I饱和，饱和，RL越越大越明显大越明显由：由：1/0TLU

9、IRpeIII00/lnIRUIIUULpT00/lnIRUIIRUUUIPLpLTISC/mA02004002004004080100VOC/VULPLILRMRL/IIIIV根据不同的根据不同的RL值，对光电池工作状态进行分析：值，对光电池工作状态进行分析：（1）RL较小较小（2）RL较大较大（3）RL在伏安特性线性范围在伏安特性线性范围短路或线性电流放大短路或线性电流放大空载电压输出空载电压输出（4）确定）确定RMarctan(1/RM)MOUi0.7UOCIMRMUOCISCmax图解法确定图解法确定RMRM近似计算为：近似计算为：max7.07.0SUIUROCMOCM输出电压变化：

10、输出电压变化：maxmax7.07.0OCOCMUSSUIRU4.2.3 可变电阻型器件光电信号输入电路可变电阻型器件光电信号输入电路 可变电阻的阻值随输入光通量改变而变化，如光可变电阻的阻值随输入光通量改变而变化，如光敏电阻、热敏电阻敏电阻、热敏电阻光敏电阻光敏电阻dpGGGR11热敏电阻热敏电阻TRRT101.简单输入电路简单输入电路 以光敏电阻为例进行分析。以光敏电阻为例进行分析。输入电路：输入电路：图解计算法图解计算法解析法解析法cccoRIEURIUUcbbo常用偏置电路常用偏置电路2.电桥输入电路电桥输入电路 以热敏电阻为例进行分析。以热敏电阻为例进行分析。采用电桥电路：避免可变电

11、阻型器件受环境温度的影响采用电桥电路：避免可变电阻型器件受环境温度的影响变换变换RT1RT2R1R2U04.3 光电信号检测电路的动态计算光电信号检测电路的动态计算4.3.1 光电信号输入电路的动态计算光电信号输入电路的动态计算1.光电二极管交流检测电路光电二极管交流检测电路分析步骤：分析步骤：IQ+ImIQE0+Emarctan Gbarctan(GL+Gb)iUOM确定最佳工作状态确定最佳工作状态建立直流工作点建立直流工作点计算输出电压与输出功率计算输出电压与输出功率最大输出功率最大输出功率设输入光照度为正弦变化：设输入光照度为正弦变化：tEEEmsin0E0-EmE0IQ-ImQNUQU

12、Q-Um UQ+UmUb2.光电池交流检测电路光电池交流检测电路最大功率输出条件：最大功率输出条件：mEMLbEESURR000224.3.2 光电检测电路的频率特性光电检测电路的频率特性高频特性高频特性电路方程：电路方程：eSiiiiEbjgLLbbLLjjgUGiGjCjigi其中：其中：e=E0+Emsinwt 为输入光照度，为输入光照度，iL为负载电流，为负载电流，ib是偏置电流，是偏置电流，Cj为光电二极管的结电容，为光电二极管的结电容，ij为结电容为结电容电流，电流，ig为光电二极管反向漏电流。忽略结电容为光电二极管反向漏电流。忽略结电容Cc(对对高频信号短路）。高频信号短路）。改

13、写为：改写为：LLLjbLELRUiCjGGgeSU,解得：解得：bLjbLELGGgGjGGgeSU1/其中：其中：bLjGGgC检测电路时间常数检测电路时间常数则则jGGgeSUbLEL1/上限频率上限频率21Hf对应不同的工作状态，信号电压：对应不同的工作状态，信号电压：（1）为获取负载上最大功率输出，要求：）为获取负载上最大功率输出，要求：RL=Rb 且且 gRb 且且 gGbjbHjbEbLCRfCRjeSRU21,1（3）为获取负载上最大电流输出，要求：）为获取负载上最大电流输出，要求：RL1，故，故F为等于或大于为等于或大于1的数。一个好的的数。一个好的放大器应使放大器应使F接近

14、于接近于1。nisisononosonisiPPPPPPPPF/输入端源电阻噪声功率声功率放大器总的等效输入噪niPnoPAP/fkTIfkTREEEnsntni4412222 噪声系数的分贝数表示噪声系数的分贝数表示nosonisidBPPPPFF/lg10lg10 多级放大器的噪声系数多级放大器的噪声系数121213121111npppnpppAAAFAAFAFFF二、二、前置放大器的设计步骤前置放大器的设计步骤1.测试或计算光电检测器及偏置电路的源电阻测试或计算光电检测器及偏置电路的源电阻Rs。2.从噪声匹配原则出发，选择前置放大器第一级的管从噪声匹配原则出发，选择前置放大器第一级的管型

15、，选择原则：型，选择原则：，可选用变压器耦合；，可选用变压器耦合；，可选用三极管；，可选用三极管；，可选用运算放大器；，可选用运算放大器；，可选用结型场效应管；，可选用结型场效应管；，可选用场效应管。，可选用场效应管。选定管型后，第一、二级应采用噪声尽可能低的选定管型后，第一、二级应采用噪声尽可能低的器件，确定工作点，并进行工作频率、带宽等参量的器件，确定工作点，并进行工作频率、带宽等参量的计算与选择。计算与选择。三、三、检测器件和放大电路的连接检测器件和放大电路的连接1.电流放大型电流放大型1ARZfiSRRIUffsco2.电压放大型电压放大型1201/lnRRAISAUAUUToco3.阻抗变换型阻抗变换型SRRIIRUffpfoLpfLoLoLooRIRRURRRUP22222