光电检测技术复习

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。
假定输入光照度为正弦变化，具有e＝E0＋ Emsinωt的形式，光照度的变化范围为E0±Em。若在 信号通频带范围内，耦合电容Cc可认为是短路，则等 效交流则可负建载立电回阻路是方R程b和为R：L的并联。
U
(I )

Ub

I
(
Rb RL Rb RL
)
过特性曲线的转折点M，以（Gb+GL)为斜率，做 交流负载线MN。过特性曲线的转折点M的目的是以
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：
可得
Baidu Nhomakorabea
ΔI＝Imax-Imin＝ΔUGL
ΔI＝GLΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(1+G/GL) 通常GL>>G，上式可简化为
ΔI＝S(Φmax-Φmin)＝SΔΦ 5 计算输出电功率
由功率关系P=ΔIΔU可得
P＝GL(ΔU)2＝GL[SΔΦ/(G+GL)]2
负载电阻上的输出电压峰值Um可利用图b中阴影线三 角形
MHQ的数值关系计算。
若交流负载线的斜率是GL+Gb，设交流负载总电流峰 值为
Im，则有 Um＝Im/(GL+Gb)
另一方面，在图中的线段MN上有电流关系： M点: IM=IQ+Im=IMd+IMP =G(UQ-Um)+SE(E0+Em)
设输入光功率为P，对应的光电流为Ip，则有 S＝Ip/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为光敏面受光面积。
在输入光通量变化范围Φmin～Φmax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。
1.确定线性工作区域 在线段MN上有关系 G0U0＝GU0+SΦmax 由此可解得
便能充分利用器件的线性区间，
交流负载线与光照度 E＝E0对应的伏安特 性相交于Q点，该点 对应交变输入光照度 的直流分量，是输入 直流偏置电路的静态 工作点。通过Q点作 直流负载线可以图解 得到偏置电阻Rb和电源Ub的值。由图可知。 （已知其中一项，求另一项）
下面来计算负载RL上的输出电压和输出功率值。
GL＝G0·U0/(Ub-U0) ＝SΦmax/[Ub(1-G/G0)-SΦmax/G0)]
当RL＝1/GL已知时，Ub＝SΦmax(GL+G0)/GL(G0-G)
3 计算输出电压幅度
由上图b，当输入光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压 幅度为ΔU＝Umax-U0，其中Umax和U0可由图中M和H点的电 流值计算得到
U0＝SΦmax/(G0-G) 或
G0＝G+SΦmax/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。
4－5用解析法计算输入电路 a) 确定线性区 b) 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Φmax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)GL＝G0U0 当已知Ub时，
恒流源型器件光信号输入电路
4－4 伏安特性的分段折线化和微变等效电路 a) 折线化一 b) 折线化二 c) 等效电路
折线化伏安特性可用下列参数确定：
a）转折电压Uo：对应于曲线转折点M处的电压值。 b）初始电导Go：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。
注意：交流负载线斜率为等效输入阻抗，直流负载线 斜率为通直流时电路中的负载电导。
光电二极管交流检测电路
4－15 反向偏置光电二极管交流检测电路及计算 a) 检测电路 b) 图解法
最大功率输出条件下：GLO=Gb＋G
图a给出了反向偏置光电二极管交流检测电路的基
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。
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. 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
能获得非线性失真最小的电信号输出。 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
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
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。 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
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。 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 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。
恒压偏置的输出信号与光敏电阻值无关，仅取决于 电导的相对变化，
光电检测电路的动态设计
光电检测电路的设计要求
灵敏的光电转换能力 快速的动态响应能力 最佳的信号检测能力 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。
光电信号输入电路的静态计算
对于缓慢变化的光信号通常采用直流电路 进行检测。
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。
在H点： 在M点： 解上二式得
GL(Ub-Umax)=GUmax+SΦmin GL(Ub-U0)=GU0+SΦmax
所以
Umax＝(GLUb-SΦmin)/(G+GL) U0＝(GLUb-SΦmax)/(G+GL)
ΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(G+GL)＝S·ΔΦ/(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