4-2光电探测器偏置电路

I max
I
算输入电路的工作状态 Imin
M
H
min
可按下列步骤进行。
tg 1G
0
1）确定线性工作区域
V tg 1G0V0 V Vmaxtg 1Gb Vb
由转折点M确定线性工作区域，相应的转折电压或初始
电导值G0中的几何关系决定。
在MV0上有 G0V0 GV0 smax
G0
G
smax V0
即
V0
smax G0 G
2）计算偏置电阻Rb、偏 I
压Vb。
I max
M
max
为 保 证 最 大 线 性 输 出 条 I 件，负载线和由Φmax对 Imin 应的伏安曲线的交点不
H
tg 1G
min 0
V
能低于M点。
tg 1G0V0 V Vmaxtg 1Gb Vb
G0V0=Gb(Vb-V0)
设负载线拐点M点，由图可得
直流负载线方程：
V D V B ID R L
交流 负载线方程：
ID 1 VD RL
RL R//ri
二、光伏探测器的等效电路
1.直流等效电路 工作在直流状态时流过探测器的电流ID： 光生电流Iph；暗电流Id（包括结电流Id1和结表面漏电 流Id2）
光电流
IpheAdN
结电流 漏电流
I d 1 I 0 [ e x p ( e V D /k T ) 1 ] Id2GshVD
二、PV器件动态工作状态设计
光电二极管交流探测电路 光电池交流检测电路
4.2.2 PV探测器的偏置
PV器件的回顾 1）零偏置或正向偏置：工作在伏安特性的第四象 限，多用于输出功率。也可以用于探测。 2）反向偏置：工作在第三象限，多用于探测。
PV器件零偏置时1/f噪声最小，可以获得较高的 S/N。
一.PV器件静态工作点的确定
2.解析法
折线化伏安特性可用下列参数确定： A.转折电压V0：对应曲线转折点处的电压值。 B.始初斜始率电。导G0：相当于非线性部分直线的初 C.结间漏电导G：是线性工作区间内个平行
直线的平均斜率。 D.光电灵敏度 S
I
在输入光通量的变化范
max
围 Φmin—Φmax 为 已 知条件下，用解析法计
偏置电流：
Il
VB Rs Rl
设光照射在探测器上，其电阻值
变化为ΔRS，则电流变化即信号 电流iS为：
is dIl (RVlBdRRss)2
Ubb
Rb
Uw C
VDw
Rs Vo
Re
2）恒压偏置 当选RL<< Rs，探测器上的偏置电压与Rs无 关，基本恒定。
VA
VBRs Rl Rs
VB
4-2光电探测器偏置电路
4.2 光电探测器的偏置电路
偏置：在探测器上加一定的偏流和偏压使 探测器能在电状态正常工作，输出光电信 号。 目的：取出光电信号。 偏置电路的设计依据：器件的伏安特性 同晶体管加电源和偏置电路选取适当工作 点的情况类似。
主要内容
4.2.1光电导探测器（PC）的偏置电路 4.2.2光伏探测器（PV）的偏置电路 4.2.3热释电器件的偏置电路 4.2.4光电倍增管的偏置电路
2.三种偏置情况的比较
由于探测器都应尽可能工作于最佳偏置范围以内，而 对于高暗阻值的光电导探测器，在最佳偏置范围内采取 恒流偏置一般需要较高的偏置电压，如果在高偏置电压 源不易获得的情况下追求“恒流”偏置而采取较小的偏 置电流，则会脱离最佳偏置区域而使S/N下降。在这种 情况下，采用具有较高偏流(使之处于最佳偏置范围)的 非恒流偏置可能会更好。
三、偏置电路的实现
1.恒压偏置的实现 分压电路的恒压偏置，如p276，图4.13 利用晶体管的恒压偏置，如p276，图4.14 利用固定晶体管基极电位，从而使发射极电位 也固定的特性，将探测器接入晶体管的发射极 电路中达到恒压偏置的目的。
三、偏置电路的实现
2.恒流偏置的实现 分压电路的恒流偏置，如p276，图4.11 利用晶体管的恒流偏置，如p276，图4.12 若光电导探测器的暗阻Rd较大，而最佳偏置电流亦 较大，则恒流偏置需要的侗置电压较高。当提供高压 偏置电压源不方便时，可采取利用品体管的有源恒流 偏置电路。通过利用晶体管在线性工作区时集-射极 等效交流电阻很大(可将其视为RL)，近似恒流源的特 性来实现恒流偏置的。它适用于晶体管集－射极等效 交流电阻远大于Rd的情况。
M
• 由图可知:随Rb增大，信号电压变大，超 过M点产生畸变 。
I
功耗限制
0 0
0
V
Vb3 Vb2 Vb1
同时，随Vb↑线性改善。但功耗加大，过大 的Vb会引起PD反向击穿。在利用图解法确定 输入电路的RL和Vb时，应根据输入光通量的 变化范围和输出信号的幅度要求，使负载线 稍高于转折M，并保证Vb不大于最高工作电 压Vmax。
2DU
(1)为保证2DU工作于线性区且Rb
Vb
Rb
最大，过拐点作负载线，则:
Rb max
Vb VM Ip
Vb VM 2
0.4
15 10 100 106
125K
(2)输出电压 :
I
M
2 1 2 10
V0 VM
V Vb
Vo I pRbmax Rbmax 0.4 10 106 125 103 0.5V
ln
I
' p
KT q
ln Id
得：
Vo'c
KT q
ln '
Voc
室温时 T=300K ，则 ：
Vo'c
Voc
26mV
ln '
KT 25.8 26mV q
利用上式，可在已知Φ、Voc时，计算另一 Φˊ下的 Vocˊ
1.无偏置的光电池电路：
Ip
I Id
RL
光电池等效电路
I1
RL RLs
GbG0VbV 0V0Vb(1G S G 0)m axS G0 m ax
当Vb已知时，则 ：
Rb
1 Gb
Vb (1 G / G0 ) smax
1 G0
或：
Vb
smax (Gb G0 ) Gb (G0 G)
当Rb已知时，有
Vb
smax (Gb G0 ) Gb (G0 G)
3）计算输出电压幅度
• 流过探测器上的偏流不恒定,随Rs变化。
Ubb
Rb
Uw C
VDw
Rc Vo
Rs
3）恒功率偏置（匹配偏置）
此时，RL=Rs，探测器上的偏置功率：
PRs
(RlVBRs)2Rs
VB2 4Rs
•与上两种偏置比较，当Rs变化时探测器上的偏置 功率的变化最小。
•实际上, 往往选Rs的平均值，而该偏置功率变化不 大，故命名为恒功率偏置。
例：用2DU测缓变辐射通量。已知2DU的 电流灵敏度 0.4A/W ，在测光范围中最大 辐射通量100μW,伏安特性曲线的拐点电 压VM=10V，若电源电压Vb=15V。
要求负载线建立在线性区内。求：
（1）保证输出电压最大时的Rbmax=? （2）辐射通量变化10μW时，输出电压的
变化量。
解：依题画出如下简图
I
max
由图可知：在ΔΦ时，
I max
M
I
V Vmax Vo
I min
H
tg 1G
min 0
其中Vmax和V0可由图中 M和H点的电流值计算得
V tg 1G0V0 V Vmaxtg 1Gb Vb
到。
由H点：G b (V b V m a x ) G V m a x S m in Vmax
GbVb Smin GG0
iD ip h (g d G s h )v D
其中：交变光电流 ipheAdN
动态电导
e gdkTI0exp(eVD/kT)
连接前放的交流等效电路
v p h ip h / ( g d G s h G L g i)
•若前放采用电压放大器，要尽量提高前放输入的光生电压，则要 求光伏探测器的光生电流大(即探测器的电流响应度高)，动态电 阻，表面漏电阻，负载电阻，放大器的输入电阻要大。 •若前放采用电流放大器，要得到大的输入信号电流，则除了要求 探测器电流响应度高以外，还必须要求前放的输入阻抗小，探测 器的动态电阻，及表面漏电阻和负载电阻均很大。这时，可将负 载开路。 •如果要求得到高的S/N，则要求动态电阻，及表面漏电阻和负载 电阻均很大。应远大于放大器最佳源电阻。
m a x m in V G b
VGb1SG /Gb
I
I max
M
I
I min
H
tg 1G
tg 1G0V0 V Vmaxtg 1Gb Vb
max
min
0 V
通常Gb >>G，上式简化为ΔI=SΔΦ
5）计算输出功率
P I VG b V 2G b(G S G b)2
（二）光生电势型探测电路的静态计算
三、偏置电路的实现
3.匹配偏置的实现 分压电路的恒流偏置，如p275，图4.10
三、偏置电路的实现
4.交流偏置 当利用微弱信号检测技术(例如用钡定放大器)来测量 恒定的或缓变的光辐射信号时，为了取得同步的参考 信号，可以对光电与探测器加交流偏置。
4.2.2 光伏探测器（PV）的偏置
一. PV器件静态工作状态的设计 反偏下光电二极管的偏置电路分析与计算 光生电势型探测电路的静态计算
由M点：G b (V b V 0 ) G V 0 S m a x V0
V V m a x V 0 S ( G m a x G 0m in) G S G 0