第六章 光电检测电路的设计

具有恒流源特性的光电检测器件有光电管，光电倍增管和 工作于反向偏置电压状态下的光电二极管以及光电三极管等。 将图中所示伏安特性和晶体三极管集电极特性相比较，其形状 类似，只是光电器件的光电流是由输入光功率控制而晶体三极 管是由基极电流控制。这表明，可以采用与晶体管放大器相类 似的方法对恒流型光电器件进行分析和计算。 图解计算法 利用包含非线性元件的串联 电路的图解法： 图a给出了在反向偏置电压 作用下光电二极管的基本输入 电路。图中Ub是反向偏置电压， RL是负载电阻，与输入光通量 Φ成正比的电压信号Uo就是从 RL的两端输出的。Ub、 RL和光 电二极管V串联连接。
几种典型光电检测器件特性参数的定性比较
2、恒流源型光电器件输入电路的静态计算 恒流源型光电器件输入电路的静态计算 光电检测电路的设计任务是根据入射光信号的性质和大小 来选择输入电路形式，并估算电路工作状态和器件参数，在保 证信号不失真的情况下获得最大的光电转换能力，同时要使之 和后级放大电路相匹配以利于信号的进一步传输。 缓慢变化的光信号通常采用直流检测电路。直流电路的计 算重点在于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图解法和分段线性化的 解析法来计算。我们将根据器件伏安特性的性质分作：恒流源 恒流源 光伏型和可变电阻型 型、光伏型 可变电阻型 光伏型 可变电阻型三种基本类型，并且以光电二极管为 线索介绍它们在各种工作状态下的电路计算方法。
1、光电检测器件的选择要点 在以信息检测和信号传送为目的的光电系统中，光电检测 光电检测 器件的作用是将载有被测信息的光辐射能量变换为电能，并在 器件的作用是将载有被测信息的光辐射能量变换为电能 实现这种变换的过程中完成信息的传递。 检测器件是沟通光学和电子系统的接口环节，它既是光路 元件又是电路元件，有着光学和电子学的双重属性。作为光路 元件，它是光信号接收器，是前级光学系统的输出端口；作为 电路元件，它是信号发生器，是后续电子系统的输入端口。正 是由于利用了光电检测器件的双重属性，才建立了光路和电路 的联系，使彼此间得以连通。因此，光电检测器件类型的选择 和工作状态的确定对光电系统的工作品质至关重要，是系统设 计的一个重要问题。
U b = U ( I ) + IRL 或 U ( I ) = U b IRL
上述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。 在图a中，当偏置电压Ub不变时， 对于同样的输入光通量Φo±Φ，负 载电阻RL的减小会增大输出信号电流 而使输出电压减小。但RL的减小会受 到最大工作电流和功耗的限制。为了 提高输出信号电压应增大RL ，但过大 的RL会使负载线越过特性曲线的转折 点M进入非线性区，而在这个范围内 光电灵敏度S=l/Φ不再是常数，这 会使输出信号的波形发生畸变。
典型光电检测器件的探测率比较曲线
3）使检测器件和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹 配，以保证得到良好的时间响应和没有频率失真的输出波形。 为作到这一点，首先要选择有良好的时间特性或频率特 性的光电器件，此外也取决于电路动态参数的选择。 4）使检测器件和输入电路在电特性上匹配以得到良好的电 信号输出。 这包括：足够的转换系数和线性范围、快速的动态响应、 良好的信噪比。 5）使检测器件具有长期工作的可靠性和对工作环境的适应 能力。 为使器件工作可靠，需要使器件在额定条件下使用。这 些条件包括额定功耗、工作电压以及工作环境温度等。器件 的装置空间、受光面积、电源设备、价格等在某些情况下甚 至是选择器件的主要考虑因素，需要根据待设计系统的要求 和条件优先选定。
第六章 光电检测电路的设计
对于大多数的光电装置，光电器件需要通过检测电路才能 实现光电信号的变换作用。通常，光电检测电路是由光电检 光电检 测器件、输入电路 前置放大器组成。 输入电路和前置放大器 测器件 输入电路 前置放大器 输入电路是连接光电器件和电信 号放大器的中间环节，它的基本作用 是为光电器件提供正常的电路工作条 件，进行电参量的变换（例如将电流 和电阻转换为电压），同时完成和前 置放大器的电路匹配。
典型光源和探测器光谱的对应曲线 a) 相对光谱辐射亮度曲线 1-太阳光 2-日光灯 3-GaP型LED 4-GaAsP型LED 5-双波段LED 6-钨丝灯(2854K) 7-GaAs型LED b) 相对探测灵敏度曲线 1-检测型Si光电二极管 2-照相用Si光电二极管 3-平面型Si光电池 4-光电三极管 5-台面型光电二极管 6-视见函数 7-CdS光敏电阻
光电检测器件的选择要点： 光电检测器件的选择要点： 1）检测器件和辐射源及光学系统在光谱特性上匹配 光电系统中光载波信号的能量来源是辐射源或光源。它 们可分作两类，即自然光源和人造光源。辐射能量由光源经 测试目标、传输介质、接收光学系统被光电检测器接收。为 了提高有用光信号的能量利用，要求检测器的光谱灵敏度分 布和辐射源的光谱辐射度分布以及各传输环节的光谱透过率 分布相覆盖。实际上，在含有许多光谱分量的复合光通量 Φ(λ)作用下、探测器的复合输出I(λ)是由单色辐射通量 作用下的输出值在整个光谱分布范围内的积分值确定的，即
利用折线化的伏安特性，可将线性区内任意Q点处的电 流值I表示为两个电流分量的组合：即与二极管端电压U成正 比，由结间漏电导形成的无光照电流（暗电流）Id和与端电 压无关仅取决于输入光功率的光电流Ip。因此，在线性区内 的伏安特性可以解析地表示为
I = f (U, Φ) = Id + I p = GU+ SΦ
b) 偏置电压的影响
解析计算法
利用如图所示的折线化伏安特性。它是实际非线性伏安 特性的分段折线化，近似画法视伏安特性形状而异。通常是 在转折点M处将曲线分作两个区域。在图a的情况下是作直线 与原曲线相切；在图b情况下是过转折点M和原点o连线，得 到折线化特性的非线性部分，再用一组平行的直线分别和实 际曲线的恒流部分逼近，得到折线的线性工作部分。
0 ∞
τ 式中，Φo(λ)是由辐射源发出的复合光通量， a (λ )、 O (λ ) τ
τ f (λ ) 分别是传输介质、光学系统和滤光器的透过率光谱分 布。
因此，只有这些衰减环节的光谱分布尽可能地相互覆盖才 衰减环节的光谱分布尽可能地相互覆盖才 可能最充分地利用入射通量。 可能最充分地利用入射通量 下页中列出了典型光源和探测器光谱的对应曲线
为了提高传输效率，无畸变地变换光电信号，光电检测器 件不仅要和被测辐射源及光学系统，而且要和后续的电子系统 在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最 佳的工作状态。光电检测器件和光路的匹配是在对辐射源和光 路进行光谱分析和能量计算的基础上，通过合理选择光路和器 件的光学参数来实现的，这要涉及到工程光学的内容。而光电 检测器件和电路的匹配则应根据选定的光电检测器件的参数， 通过正确选择和设计电路来完成。
光电检测器件
输入电路
前置放大器
输入电路的设计应根据电信号的性质、大小，光学的和器 件的噪声电平等初始条件以及输出电平和通频带等技术要求来 确定电路的连接形式和工作参数，保证光电器件和后级电路最 佳的工作状态，并最终使整个检测电路满足下列技术要求： 1）灵敏的光电转换能力：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 压或电流输出。 2）快速的动态响应能力：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）最佳的信号检测能力：具有为可靠检测所必需的信噪比 或最小可检测信号功率。 4）长期工作的稳定性和可靠性。 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、电路动态计算和噪声估算。
2）探测器的光电转换特性和入射辐射能量的大小相匹配 根据光电系统辐射源的发光强度、传输介质和目标的传输 及调制损耗、接收光学系统接收孔径的限制及反射吸收等损失 的影响，可以计算出入射到探测器光敏面上的实际辐射能量， 通常它们是很微弱的，探测器的选择应充分利用这些有用的信 号能量，为此要考虑： ①使探测器有足够高的探测率 D *，以确保获得一定裕度 的信噪比。 ②探测器有合适的灵敏度S，以保证对应于入射辐射通量 的微小变化，有足够幅度的电信号输出。 ③使入射通量的变化中心处于探测器光电特性的线性范围 内，以确保获得良好的线性检测。
恒流源型光电检测器件的伏安特性 a) 光电倍增管 b) 光电二极管 c) 光电三极管
恒流源型光电检测器件的伏安特性是一组以输入光照度E 或光通量Φ为参量的曲线组。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M。工作电压加大后曲线逐渐平 直。随输入光通量的改变，各曲线间逐渐近似平行，间距相等。 这种随器件端电压增大输出电流变化不大的性质称恒流源特性。
Ub
RL
计算光电二极管输入电路的图解法 a) 基本电路 b) 图解法计算
对于这种简单电路可列出回路方程 式中，U(I)是非线性函数。上式可利用图解法进行计算。如 图b，在伏安特性上划出负载线Ub-IRL，它是斜率为-1/RL，通过U ＝Ub点的直线，与纵轴交于Ub/RL点上。由于串联回路中流过各回 路元件的电流相等，负载线和对应于输入光通量为Φo时的器件 伏安特性曲线的交点Q即为输入电路的静态工作点。当输入光通 量由Φo改变+ΔΦ（或-ΔΦ）时，在负载电阻RL上会产生-ΔU （或+ΔU）的电压信号输出和+ΔI（或-ΔI）的电流信号输出。
折线化伏安特性可用下列参数确定： a）转折电压U 0：对应于曲线转折点M处的电压值。 b）初始电导G0：非线性区近似直线的初始斜率。 c）结间漏电导G：线性区内各平行直线的平均斜率。 d）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 I p ，则有 S＝ I p /P 式中的光功率P可以是光通量Φ，也可以是光照度E。光通量 和照度之间的关系为 Φ＝AE 式中，A——光敏面受光面积。