光电信息实验

CC
R2 6.2K T1 3DU11
（+5V）
D (BT201)
T2 3DG6 R1 51K
图2 晶体管放大电路
u
采用运算放大器作放大电路（如图３）该电路特点是： 电路简单，调试方便，工作稳定可靠。但输出电流仍受 运算放大器的最大输出电流限制。
u
如果负载电流较大，或者负 载需要较高的电压驱动，那 么可以采用继电器进行弱电 →强电转换（如图４）该电 路经继电器后输出电流可较 大。但其调试复杂，且电路 的可靠性也由于采用的元器 件增多而有所下降。
图１ 光电二极管工作原理图
２． 光电三极管的原理性结构如图２所示。正常运用时，集电 极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置， 集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光 电流Ｉｐ向基区注入，同时在集电极电路产生了一个被放大 的电流：
I C = (1 + β ) I p ≈ β I p
u
光电倍增管是由半透明的光电发射阴极、倍增极和阳 极所组成的，由图１所示。
a) 侧窗式
b) 端窗式
c) 原理示意图
图1 光电倍增管外形与结果原理示意图
u
当入射光子照射到半透明的光电阴极Ｋ上时，将发射出光 电子，被第一倍增极Ｄ１与阴极Ｋ之间的电场所聚焦并加速 后与倍增极Ｄ２碰撞，一个光电子从Ｄ１撞击出３个以上的新电 子，这种新电子叫做二次电子。这些二次电子又被Ｄ１～Ｄ２ 之间的电场所加速，打到第二个倍增极Ｄ２上。并从Ｄ２上撞 击出更多的新的二次电子。如此继续下去，使电子流迅速 倍增。最后被阳极Ａ收集。收集的阳极电子流比阴极发射 的电子流一般大１０５～１０４倍。这就是真空光电倍增管的电 子内倍增原理。
+1
如图４所示， 可以作鉴相 器使用。
-180°
-90°
90°
180°
φ
-1
图４ 相关器输入为与参考信号同频的 方波时它的输出直流电压与两者 的相位差成线性关系
⑤ 等效噪声带宽
基波噪声带宽： ∆f N1
1 1 = = 2 R0C0 2T
π2 π2 = ∆f N 1 = 8 16T
1.43 f = ( R1 + R2 )C1
u
３端为输出端，Ｒ３是限流电阻，避免由于电流过大 而烧坏红外发光管Ｄ，其输出信号为方波，占空比 R1 为 。 R1 + R2
②
u
接收电路由光电三极管、放大驱动电路和负载组成。 由于外接负载的不同，所采用的放大电路的形式也很 多。 如果负载电流较小，可采用晶体管作放大器，输出端 直接带负载（如图２）。 V
二、实验原理与电路
１． 实验原理
u
光电控制系统一般由发光部分、接收部分和信号处 理部分组成。 本实验采用振荡电路产生的方波信号对红外发光管 进行调制，使之输出光脉冲信号，然后由光电三极 管接收，放大还原为电信号。 方波脉冲发生器使用５５５时基集成电路；光电接收 电路采用光电三极管组成的放大电路，本实验采用 ３ＤＵ１１型。
IA
图２ 光电倍增管供电电路
３． 光电倍增管的特性和参数
① 阴极光照灵敏度 阴极光照灵敏度定义为光电阴极的光电流ＩＫ除以入 射光通量φ所得的商：
SK = IK (µ A Lm ) φ
国际照明委员会的标准光照相应于分布温度为 ２８５９Ｋ的绝对黑体的辐射。 ② 阳极光照灵敏度 阳极光照灵敏度定义为阳极输出电流ＩＡ除以入射光 通量φ所得的商： I
三、实验装置
u
实验装置如图３。
测试室 光源室
白炽灯 倍增管
检流计
倍增管电源
白炽灯电源
图3 测试原理图
u
本实验选用ＧＢ７８７－７４型光电倍增管，其管 脚和名称见下图。
实 验 四 光电控制电路设计与装调
一、实验目的
１． 了解光电三极管和红外发光管的性能、参数 及应用。 ２． 学会拟定、分析光电系统。 ３． 掌握光电三极管接收及放大电路，红外发光 管脉冲调制光源的构成与调试。
一、实验目的
１． 掌握硅光电池的正确使用方法。 ２． 了解光电池零负载，以及不同负载时光电流 与照度的关系。
二、工作原理
１． 光电池具有半导体结型器件无源直接负载下的工作特 性，工作原理如图１所示。 ＲＬ外接负载为，Ｉｐ为光电 流，ＩＤ为二极管结电流。
光 N ID RL
I
Iφ P
A
图１ 光电池工作原理图
Vi = VA ⋅ VB
2R V Vo = − 0 A π R1 −e
− t R0C0
1 cos{[ω − (2n + 1)ωR ]t + φ + Q2n +1} {{ ∑ n =0、 1、 2... 2 n + 1 1 + {[ω − (2n + 1)ω R ]R0C0 }2
∞
cos(φ + Q2n +1 ) 1 + {[ω − (2n + 1)ωR ]R0C0}
四、实验仪表和器材
硅光电池、照度计、钨丝灯、调压变压器、直流 稳压电源、毫伏电压表、微安表、电阻和电位计 等。
五、实验线路装置
光电池负载实验线路装置如图２所示。
RL A R3 100Ω I2
mv
R5
R6
照度计
C
R4 I 1
G1
100Ω
调压变压器
B VE
μA
G
图２ 光电池负载实验装置
u
光电池受光照后，产生光电流Ｉ２。在Ａ、Ｂ两点的毫 伏电压会产生偏转。调节稳压电源ＶＥ后，产生补偿 电流Ｉ１，Ｉ１和光电流Ｉ２方向相反。调节电位计Ｒ５（粗 调）和Ｒ６（细调）使补偿电流Ｉ１与光电流Ｉ２相减，并 促使毫伏电压表Ｇ１指示为零。此时，表示Ａ点和Ｂ点 电位相同。相当于光电池在Ａ、Ｂ二点外电路为零状 态下工作，根据电路平衡条件： I 2 R3 − ( I1 − I 2 ) R4 = 0 则光电流为：
2
}}
式中：
Q2 n+1 = tg −1[ω − (2n + 1)ωR ]R0C0
φ＝０ｏ当ω＝ωＲ时，图１各 点的波形如图２所示。
注：图１中低通滤波器为 反相输入，因此，输出直 流电压与Ｖｉ反号，图２中 为了更直观起见，画的低 通滤波器不倒相， Ｖｏ与Ｖｉ 中的直流分量同号。
３． 对（２）式讨论有下列结论：
Vo
曲线表明在ｆＲ的各奇次谐波的响 应为基波的１／（２ｎ＋１）。 离开奇次谐波频率很快衰减，形 成Ｑ值很高的带通滤波器。
1/3
1/5 1/7 1/9 1/11 1 3 5 7 9 11
f/fR
图３ Ｖｏ ～ｆ／ｆＲ响应曲线
④ 如果输入信号为一恒定和参考方波频率相同的 方波信号，则相关器为相敏检波器，输出的直 流电压和信号与参考信号两者的相位差成线性 关系。 V０
实 验 五 相关器的研究及其主要 参数测量
－、目的要求
１． 了解相关器的原理。 ２． 测量相关器的输出特性。 ３． 测量相关器的抑制干扰能力与抑制白噪声能力。 ４． 测量相敏检波特性。
二、基本原理
１． 相关器由相敏检波器与低通滤波器组成，是锁定放 大器的核心部件。锁定放大器中的相关器通常采用 图１所示的形式，由一个开关式乘法器与低通滤波器 组成。
β为电流放大倍数。
图２ 光电三极管工作原理图
３．
光电二极管和光电三极管的伏安特性曲线
I
E4>E3 >E2> E1>E 0 E4 E3 E2 E1 E0
I
E4>E3 >E2> E1>E 0 E4 E3 E2 E1 E0
0
U
0
U
图３（ａ）光电二极管伏安特性曲线
（ｂ）光电三极管伏安特性曲线
三、实验内容
u
u
２． 参考实验电路
① 发光电路由震荡电路和红外发光管ＨＧ４１３组成，电 路图如图１所示。
· ·
R1 2.2K R2 51K C1 0.2μF
4 7
8 3
VCC (+5V) R3 39Ω
· ·
6 2
1 1
5 C2 0.01μF
D HG413
·
图1 发光电路
u
时基集成块ＮＥ５５５输出震荡频率由外接电阻Ｒ１、Ｒ２ 及电容Ｃ１决定。
２． 供电分压器和输出电路
u
光电倍增管的极间电压的分配一般是由图２所示的串联 电阻分压器执行。
u
最佳的极间电压分配取决于三个因素：阳极峰值电流、 允许的电压波动以及允许的非线性偏离。
K D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 11 IK 1 -HV 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A
三、实验内容
１． 组装脉冲发生器电路，并进行调试，先取Ｃ１＝１０μＦ。 此时 1.43 f = = 2Hz 3 −6 ( 2.2 + 51) × 10 × 10 ×10 此频率可由接收部分发光二极管直观地显示出来，便 于调试。 ２． 组装光接收电路，将光脉冲转换为电脉冲。 ３． 联调
实 验 一 光电二极管、光电三极管 光照特性的测试
－、目的要求
１． 掌握光电二极管的工作原理和使用方法。 ２． 进一步了解光电二极管的光照特性和伏安特 性，为设计光电系统前置放大器打下基础。
二、工作原理
１． 光电二极管是结型半导体光伏探测器件。当入射光子 能量大于材料禁带宽度时，半导体吸收光子能量将产 生电子空穴对。产生在ＰＮ结内的电子空穴对在内建电 场（光电二极管工作时加反向偏压Ｖｂ）作用下被分离， 形成光生电势，产生光电流，如图１所示
Vm (0.6 ~ 0.8)Voc V ≈ = (0.6 ~ 0.8) oc Im I sc SE
Ropt =
u
当ＲＬ≤Ｒｏｐｔ时，并忽略光电池结电流，负载电流近似等于恒 定短路电流。 当ＲＬ＞Ｒｏｐｔ时，光电池结电流按指数增加，负载电流近似于指 数形式减小。