光电检测电路

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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
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几种典型光电检测器件特性参数的定性比较
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2、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 型、光伏型和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。
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a ( )、 式中，Φ o(λ )是由辐射源发出的复合光通量， O ( )
f ( ) 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 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
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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
I ( ) S I ( )( )d

S I ( ) ——探测器对波长λ 的电流灵敏度
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在辐射源和探测器之间存在选择性衰减环节（如介质传输、 光学系统和滤光器）时探测器的有效输出为
I ( ) S I ( ) a ( ) O ( ) f ( ) O ( )d
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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 的信噪比。
，以确保获得一定裕度 D*
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。
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典型光电检测器件的探测率比较曲线
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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。
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一、光电检测电路的静态设计
检测电路的静态设计包括光电器件的选择和输入电路的 静态计算。 本节内容包括： 光电检测器件的选择要点；
恒流源型光电器件输入电路的静态计算；
光伏型光电器件输入电路的静态计算；
可变电阻型光电器件输入电路的静态计算；
检测器件和放大电路的连接。
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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 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 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。
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）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。
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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。