光电检测电路的带宽和频率特性
光电检测技术
光电检测技术总结经过一学期的光电检测技术课程的学习，我们大致上了解了光电检测技术有许多方面的知识，按照传感器、转换电路、检测装置划分排列。
接下来我们来仔细探讨一下究竟有什么值得我们学习的。
首先是光电技术的定义。
何为光电技术？光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，或进入计算机处理，最终显示输出所需要的检测物理参数。
其中检测和测量有一些不同的地方：检测：通过一定的物理方式，分辨出被测参量并归属到某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或是否存在。
测量：将被测的未知量与同性质的标准量比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。
而光电检测技术的应用存在在生活中的每一个部分。
比如人的视觉功能，人眼是一个直径为23mm的近似球体，眼球前方横径为11mm的透明角膜具有屈光作用，角膜后的虹膜中央有称为瞳孔的圆孔，它可以扩大或缩小以调节进入眼球的光亮。
虹膜后的水晶体相当于光学系统中的透镜，其直径为9mm。
在眼球的后方有视网膜，这是光学细胞和杆状细胞，它们和视网膜上的其他细胞组成的微小感光单元。
这些感光单元接收光刺激后转化为神经冲动，经视神经传导到大脑的高级视觉中枢，从而产生亮度和彩色的感觉，同时也形成有关物体状和大小的判断。
因此，人眼是一个高灵敏度、高分辨率和极为复杂而精巧的光传感器。
正好光学仪器是人眼的视觉扩展，通过利用光辐射的各种现象和特性，摄取信息实现控制的有力工具，它是人类视觉参与下才能工作的。
光学仪器一共在人类视觉上做出了以下的扩展：1、时间上扩展，可以通过摄像机记录过去的样子；2、空间上的扩展，通过地球卫星观看世界个地的样貌；3、识别能力的扩展，通过放大镜和显微镜我们能够观测到人眼看不见的细微东西。
光电检测系统由哪些东西组成？典型的光电仪器包括了精密机械、光学系统、光电信号传感器、电信号处理器和运算控制计算机以及输出显示设备等环节。
微弱光信号的光电探测放大电路的设计
微弱光信号的光电探测放大电路的设计对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动和微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅值以反映被测量的大小。
但是，由于被测量的信号很微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅值大的多，同时，放大被测信号的过程也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和外部干扰的影响，因此，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。
本文针对检测微弱光信号的光电二极管放大电路，综合分析了其电路噪声、信号带宽及电路稳定性，在此基础上设计了一种低噪声光电信号放大电路，并给出电路参数选择方法。
1 基本电路光电二极管作为光探测器有两种应用模式如图1所示。
(1)光伏模式，如图1 (a)。
此时，光电二极管处于零偏置状态，不存在暗电流，低噪声，线性度好，因而适于精密领域。
本文就是以这种模式为例进行分析，实际应用中，这个电路一般还需在Rf上并联一个小电容Cs，从而使电路稳定。
(2)光导模式，如图1(b)。
这种模式需要给光电二极管加反向偏置电压，因而存在暗电流，产生噪声电流，同时因为非线性，一般应用在高速场合。
当光照射到光电二极管时，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流Ip，该电流流过跨接在放大器负输入端和输出端的反馈电阻Rf，将运算放大器视为理想放大器，根据理想运算放大器输入端的“虚断”特性，从而有E0=IpRf。
可以看出，光电二极管放大电路实际上是一个I／V转换电路。
这个电路看起来非常简单，只需一个反馈电阻，一个光电二极管和一个放大器便可实现。
从输出电压的线性表达式很容易推出，使反馈电阻Rf增大，将使得输出电压也成比例的增大。
经之前分析时，一般给出其典型值为100MΩ。
在下面的分析我们将看到，反馈电阻不但影响信号的带宽，而且影响整个电路噪声。
光电检测电路的带宽和频率特性29页文档
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
Hale Waihona Puke 光电检测电路的带宽和频率特性
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
光学测试技术_光电技术
可选择带通滤波器提高信噪比。带宽Bf：ω0-Ω~ω0+Ω
光信号频率调制
在宽带调频时，m f 1
t 0 m sin 0t m f sin t
带宽 B f 2 2
光信号脉冲调制
将直流光通量用斩光盘调制，可得到连续的光脉冲载 波。这种脉冲调制可实现对光脉冲信号的幅度、重复 频率、脉宽、相位等参数或者它们的组合按调制信息 改变。 此外，还可其他参量进行调制，如对光信号的偏振特 性参数调制、对光信号传输方向调制等。
detector2
source
Target
作涉 探测或者光外差探测。它被广泛地应用到雷达监测中。 请叙述该检测技术的基本原理。
2、时变光信号的调制检测
对光信号进行调制，将待测信息加载到光信号中达 到测量目的。调制技术可改善光电系统的工作品质， 提高信噪比和灵敏度，是光电检测系统中常用的方 法。
t 0 1 m sin t m sin t
cos t 1 0 m sin t mm 2 cos t 可选择带通滤波器提高信噪比。带宽：ω-Ω~ω+Ω
连续波调制
t 0 m V t sin V t t V t FM AM PM 满足：0 m V t
0 m sin 0t m f cos 0t sin t 1 0 m sin 0t m m f 2 sin 0 t sin 0 t
光信号的频率测量
光电检测技术与应用-7光电检测系统
2.3 直接检测系统的视场角
视场角表示系统能检测到的空间范 围，是检测系统的性能指标之一。对于检 测系统，被测物看作是在无穷远处，且物 方与像方介质相同。当检测器位于焦平面 上时，其半视场角为：
物镜
u'
检测器
D
d
5-19 f' Ad 直接检测系统视场角 或视场角立体角Ω为： 2 f 从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积或减小光学系统的焦
经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度
I e 1 E e 2 L
入射到检测器上的光谱功率
Ee 为：
1 为被测距离L内的大气光谱透过率；
L为目标到光电检测系统的距离
Pe Ee A0 0
I e 1 2 A0 0 L
2
1
Pe
为：
A0为接收光学系统的入射 孔径面积
1为接收光学系统的光谱 透过率
根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取的 λ1―λ2的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：
Vs
2
1
A0 Pe RV d 2 L
I e 1 0 RV d
RV为检测器的光谱响应度
3.1 被动检测系统的距离方程
RV
将上式代入2，可得：
式中Ad为检测器面积；Δf为系统的带 宽；D*为检测器的归一化检测度； AoIe=P0是入射到接收光学系统的平均 功率。考虑到系统的调制特性，入射 到探测器上的有效功率为：
距，但对检测器会带来不利影响： ① 增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪声功率和 面积的平方根成正比。 ② 减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统灵敏方 式下降。 因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小系统视场角。
知道智慧树《光电检测原理与技术(内蒙古大学)》网课章节测试答案
第一章测试【单选题】(20分) 以下属于光电检测仪器的有（）。
A.遥控器B.洗衣机C.路灯√ D.光敏电阻【多选题】(20分)光电检测系统的组成包括（）。
√A.光源√B.光电检测电路√C.光电探测器√D.光学系统【多选题】(20分)以下属于光电检测技术的特点的有（）。
√A.精度高√B.速度快√C.寿命长√D.距离远【判断题】(20分)光电检测技术是对待测光学量或由非光学待测物理量转换成光学量，通过光电转换和电路处理的方法进行检测的技术。
（）√ A.对B.错【判断题】(20分)半导体激光器在激光外径扫描仪中起到提供光源的作用。
（）A.错√ B.对第二章测试【单选题】(10分) 可见光的波长范围是（）。
A.10 nm～400 nm√ B.380 nm～780 nmC.1 mm以上D.760 nm～1 mm【单选题】(10分) 半导体对光的吸收种类不包括（）。
A.本征吸收B.晶格吸收√ C.电子吸收D.激子吸收【单选题】(10分) 荧光灯的光谱功率谱是（）。
A.连续光谱√ B.复合光谱C.带状光谱D.线状光谱【单选题】(10分) 激光器的发光原理是（）。
A.自发吸收B.自发辐射C.受激吸收√ D.受激辐射【单选题】(10分) 视角分辨率的单位通常为（）。
A.ppiB.cpiC.dpi√ D.lpi【多选题】(10分)光调制包括（）。
√A.AM√B.FM√C.PMD.DM【多选题】(10分)电光效应反映介质折射率与电场强度可能呈（）。
√A.平方关系B.无关系C.立方关系√D.线性关系【多选题】(10分)大气散射包括（）。
A.费曼散射√B.无规则散射√C.米氏散射√D.瑞利散射【多选题】(10分)光纤损耗包括（）。
A.折射损耗√B.散射损耗√C.吸收损耗D.反射损耗10【单选题】 (10分)A.2.8 lm和2.55×104 cdB.3 lm和4.8×103 cdC.√1.63 lm和5.22×105 cdD.28.8 lm和2.55×106 cd第三章测试10【多选题】(10分)以下主要利用光电子发射效应的光电器件有（）。
光电探测器原理
光电探测器功能及应用表征光电探测器性能参数主要有：量子效率、响应度、频率响应、噪声和探测度等。
其中量子效率和响应度表征了光电探测器将入射光转换成光电流本领的大小，频率响应表征了光电探测器工作速度的快慢，噪声和探测度表征了光电探测器所能探测到最小的入射光能量。
一、有关响应方面的性能参数1. 响应率（Responsivity）RV或RI表征探测器将入射光信号转换成电信号的能力电流的响应率RI：探测器将入射光信号转换成电流信号Ie的能力。
电压响应率RV：探测器将入射光信号转换成电压信号Ve的能力。
2.单色灵敏度Rλ --- 波长为l的单色辐射源单色灵敏度：输出的光电流iλ与波长为λ的入射到探测器的单色辐射光通量Pλ（或照度）之比3.积分灵敏度--- 复色辐射源表示探测器对连续入射光辐射的反应灵敏程度4. 响应时间描述光电器件对入射辐射响应快慢的参数5. 频率响应度二、有关噪声方面的参数1、信噪比信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。
它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，（S――Signal N――Noise）2. 噪声等效功率（NEP）3. 探测率与比探测率三、其它参数1. 量子效率描述光电转换器件光电转换能力的一个重要参数2.线性度线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。
工作参数为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号，就要使相互连接的各器件都处于最佳的工作状态，所以光电探测器要与被测信号、光学系统以及后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配。
1、灵敏度（或称响应度）灵敏度RV （或RI ）的定义为：探测器输出电压VS（或输出电流IS）与输入光功率P之比。
由于灵敏度与入射光波长关系密切。
入射波长不同，探测器的灵敏度也不同，所以一般还须给出灵敏度的光谱响应特性。
在光谱响应特性曲线中，探测器的光谱响应范围是峰值灵敏度下降一半时的波长范围。
但对具体器件的光谱响应范围的定义可能不同，例如对光电倍增管的定义为下降到峰值灵敏度的1% 或0.1%的波长范围。
光电探测器的性能参数
5．频率响应
●光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而 变化的特性称为频率响应。
二 有关噪声方面的参数
从响应度的定义来看，好象只要有光辐射存在，不管 它的功率如何小，都可探测出来。 无法肯定是否有辐射入射在探测器上。这并不是探测 器不好引起的，而是它所固有的“噪声”引起的。
●当入射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，
2．等效噪声输入(ENI)功率
●定义：探测器在特定带宽内(1Hz)产生的均方
根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时辐射 源的输入通量， 此时，其他参数，如频率温度等应加以规定。
●这个参数是在确定光电探测器件的探测极限
(以输入通量为瓦或流明表示)时使用。
3．噪声等效功率(NEP)
（最小可探测功率Pmin）
●如果对这些随时间起伏的电压(流)按时间取平均值，
则平均值等于零。
●但这些值的均方根不等于零，
这个均方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。
1．信噪比(S／N)
判定噪声大小通常使用信噪比这个参数。
●在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，
2 S IS IS 若用分贝(dB)表示，则为： ( N )dB 10lg I 2 20lg I N N
4．响应时间
●响应时间是描述光电探测器对入
射辐射响应快慢的一个参数。即 当入射辐射到光电探测器后或入 射辐射遮断后．光电探测器的输 出上升到稳定值或下降到照射前 的值所需时间称为响应时间。常 用时间常数τ 的大小来表示。
●当用一个辐射脉冲照射光电探测
器，如果这个脉冲的上升和下降 时间很短，如方被，则光电探测 器的输出由于器件的惰性而有延 迟，把从10％上升到90％峰值处 所需的时间称为探测器的上升时 间，而把从90％下降到10％处所 需的时间称为下降时间。
光电检测技术第二版答案
光电检测技术第二版答案【篇一：《光电检测技术-题库》(2)】、填空题1.对于光电器件而言，最重要的参数是、和。
2.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成。
3.光电三极管的工作过程分为和。
4.激光产生的基本条件是受激辐射、和。
5. 非平衡载流子的复合大致可以分为和。
6.在共价键晶体中，从最内层的电子直到最外层的价电子都正好填满相应的能带，能量最高的是填满的能带，称为价带。
价带以上的能带，其中最低的能带常称为，与之间的区域称为。
7.本征半导体在绝对零度时，又不受光、电、磁等外界条件作用，此时导带中没有，价带中没有，所以不能。
8.载流子的运动有两种型式，和。
9. 发光二极管发出光的颜色是由材料的决定的。
10. 光电检测电路一般情况下由、、组成。
11. 光电效应分为内光电效应和效应，其中内光电效应包括和，光敏电阻属于效应。
12.半导体对光的吸收一般有、、、和这五种形式。
13. 光电器件作为光电开关、光电报警使用时，不考虑其线性，但要考虑。
14.半导体对光的吸收可以分为五种，其中和可以产生光电效应。
15.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成，光电倍增管的光谱响应曲线主要取决于材料的性质。
16.描述发光二极管的发光光谱的两个主要参量是和。
17.检测器件和放大电路的主要连接类型有、和等。
18..使用莫尔条纹法进行位移-数字量变换有两个优点，分别是和。
19.电荷耦合器件（ccd）的基本功能是和。
20.光电编码器可以按照其构造和数字脉冲的性质进行分类，按照信号性质可以分为和。
21.交替变化的光信号，必须使所选器件的大于输入信号的频率才能测出输入信号的变化。
22.随着光电技术的发展，可以实现前后级电路隔离的较为有效的器件是。
23.硅光电池在偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。
24.发光二极管的峰值波长是由决定的。
二、名词解释1. 光亮度：2. 本征半导体：3. n型半导体：4. 载流子的扩散运动：5. 光生伏特效应：6. 内光电效应：7.光电效应8.量子效率9.分辨率10.二次调制11.二值化处理12.光电检测技术13.响应时间14.热电偶15.亮度中心检测法三、判断正误1. a/d变换量化误差不随输入电压变化而变化，是一种偶然误差。
4.2-光电探测器的性能参数
采用另一种更通用的表述方法，这就是噪声等效功率NEP（Noise Equivalent Power） 。它定义为单位信噪比时的信号光功率。信噪比SNR定义为
SNR is
(电流信噪比)
in
SNR us
(电压信噪比)
于是有 ：
un NE P th P R in ii is s R is ii in s S P sN i P R s(SN )i 1 R
定义
D* D Af
1
(cmHz2 /W)
称为归一化探测度。
这时就可以说：D*大的探测器其探测能力一定好。
考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明响应波长λ、光辐射 调制频率f及测量带宽Δf，即D*(λ, f ,Δf )。
7
其它参数
光电探测器还有其它一些特性参数，在使 用时必须注意到，例如光敏面积，探测器电阻 ，电容等。
通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声电流in，那么就认
为刚刚能探测到光信号存在。
依照这一判据，定义探测器的通
Ps
光电 效应
电流 增益
放大器过程
is
输出 信号加
量阈Pth为
Pb
噪声
Pth
in Ri
(瓦)
内部
in
噪声
11
六、噪声等效功率NEP
例：若Ri=10μA/μW，in=0.01μA，则通量阈Pth＝0.001μW。即小于0.001微瓦的信号 光功率不能被探测器所得知，所以，通量阈是探测器所能探测的最小光信号功率。
p e x ＝h
e x 激 光 器 每 秒 钟 注 入 的 电 子 － 空 穴 对 数I
e 0
定义外量子效率 e x 为
光电检测技术特点
光电检测技术特点：①便于数字化和智能化②检测精度高，速度快③非接触式检测④遥测遥控。
光电检测系统组成框图：辐射源-光学系统-光电系统-电子学系统-运算机系统。
光电检测技术：采用不同的手腕和方式获取信息，运用光电技术的方式来查验和处置信息，从而实现各类几何量和物理量的测量。
光电效应：因光照而引发物体电学特性的改变的现象。
内光电效应：被光激发所产生的载流子仍在物质内部运动，是物质的电导率发生转变或产生光生电动势的现象。
外光电效应：被光激发产生的电视逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。
半导体对光的吸收：本征吸收，杂质吸收，激子吸收，自由载流子吸收，晶格吸收。
能引发光电效应的有：本征吸收和杂质吸收由半导体价带电子吸收光子能量跃迁入导带产生电子-空穴的现象为本征吸收。
光电导效应：半导体受光照后，其内部产生光生载流子，是半导体中载流子数量显著增加而电阻减小的现象。
光敏电阻：具有光电导材料制成的随入射光气宇转变的器件。
原理：在两头加上电压，有电流通过，改变光气宇，电流改变，说明电阻随光气宇转变。
分类：本征半导体光敏电阻，杂质型半导体光敏电阻。
光敏电阻的大体特性:①光电特性：随光气宇转变电导转变越大越灵敏②伏安特性③温度特性：光电导随温度升高而下降光电响应特性受温度影响大④时刻响应：比其他光电器件差，频率响应低，具有特殊性⑤噪声特性⑥光谱响应：电流灵敏度与波长的关系光敏电阻长处:①灵敏度高②工作电流大③光谱响应范围宽④非线性动态范围与所测光强范围宽⑤无极性而利用方便⑥寿命长价钱低。
缺点：①响应时刻长②频率特性差③强光线性差④受温度影响大。
光敏二极管：工作原理：PN结中原子产生本征吸收，激发原子—空穴对，在电场作用下，形成反向的电流。
光电二极管特性参数：①光谱响应②频率响应③时刻响应④噪声⑤温度特性PIN光敏二极管的结构：分三层，即P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体I层，它是用高阻N型硅片做I层，然后把它的两面别离作N+和P+杂质扩散，在两面制成欧姆接触而取得PIN光电二极管。
光电习题[整理版]
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第一、二章一、选择题1.一个高灵敏度、高分辨率和极为复杂而精巧的光传感器是（）A 人眼B 光电倍增管C 半导体光敏器件2.明视觉可以分辨物体的（）A 细节和颜色B 明暗C 层次3.暗视觉可以分辨物体的（）A 细节和颜色B 明暗C 层次4.视力为1.0的人，一般可分辨的视角是（）A 1’B 1’’C 0.1°5.人眼感知灵敏度最高的颜色（）A 红色B 绿色C 蓝色6.波长在什么值处，即使波长相差不到1nm，人眼仍能发现颜色的差别（）A 480nmB 550nmC 600nmD 700nm7.明视觉的视见函数的最大值出现在（）A 550nmB 555nmC 560nm8.暗视觉的视见函数的最导致出现在（）A 550nmB 600nmC 700nm9.可检测出物体的亮度等级和空间分布的光电器件是（）A 光电检测器件B 光电成像器件C 光控制器件10.光的直线传播概念能解释（），光的量子论能解释（）A 光的干涉B 光偏振C 光衍射D 光折射11.辐照度与福出射度的单位（）A 相同B 不同12.照度与光源至被照面的距离（）A 有关B 无关13.人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数为（），暗视觉情况下为（）A 683lm/WB 783lm/WC 883lm/WD 1120lm/WE 1625lm/WF 1725lm/WG 1825lm/W14.色温越高的辐射体，光照效能越（），光度量越（）A 高B 低15.半导体的电阻温度系数一般为（），金属的一般为（）A 正B 负16.原子中同属一个量子态的电子数量为（）A 一个B 两个C 三个D 四个17.半导体主要靠空穴导电的是（），靠电子的是（）A 本证半导体B N型半导体C P型半导体18.费米能级一般在（）A 导带B 价带C 禁带19.热平衡时，电子占据某一能级的E的几率是（）A 一定的B 不一定的20.热平衡时，本证半导体内部的两种载流子浓度的乘积比掺杂半导体中的（）A 大B 小21.温度升高时，N型半导体中（），P型半导体中（）A n=pB n>pC n<p22.非平衡载流子的寿命越长，复合率（），非平衡载流子增加，复合率（）A 越大B 越小C 不变23.漂移电流的主要贡献是由（），扩散电流的主要贡献是由（）A 多数载流子B 少数载流子24.电子的迁移率比空穴的迁移率（）A 大B 小C 相同25.杂质吸收的长波限比本证吸收的长波限（）A 大B 小C 相同26.激子吸收能否产生电流（）A 能 B不能27.PN结的电流随外加电压变化的关系为（），肖特基势垒的电流随外加电压的变化关系为（）A 正比B 反比C 指数关系28.注入接触的电流随外加电压变化的关系为（），欧姆接触的为（）A 正比B 反比C 指数关系29.光电导的灵敏度与非平衡载流子寿命的关系为（），与外加电压的关系为（），与载流子在两极间的渡越时间的关系为（），光电导的弛豫时间与非平衡载流子寿命的关系为（）A 正比B 反比C 指数关系30.线性光电导的弛豫时间与光强的关系为（），抛物线型的（）A 线性B 非线性C 无关31.在内建电场的作用下发生的光生伏特效应的半导体是（），产生丹倍效应的半导体是（）A 均匀半导体B 不均匀半导体32.发射出光电子的最大动能与光强的关系（），与频率的关系（），与光电阴极的逸出功（）A 有关B 无关33.发射出的光电子数与入射光的频率（），与光电阴极上的入射光强（）二、问答题1.什么是视见函数？2.光的波长范围？可见光、紫外光和红外光的波长范围？3.辐射度量和光度量的根本区别？4.什么是辐射通量与光通量，各自的单位是什么？如何进行二者单位间的换算？5.写出辐射通量、辐射照度、辐射亮度、辐射出射度、辐射强度的数学表达式及单位。
光电探测器基础知识单选题100道及答案解析
光电探测器基础知识单选题100道及答案解析1. 光电探测器的主要作用是（）A. 发射光信号B. 接收光信号并转换为电信号C. 增强光信号D. 过滤光信号答案：B解析：光电探测器的主要作用是接收光信号，并将其转换为电信号，以便后续处理和分析。
2. 以下哪种不是常见的光电探测器类型（）A. 光电二极管B. 光电三极管C. 热敏电阻D. 雪崩光电二极管答案：C解析：热敏电阻是利用电阻值随温度变化的特性来测量温度的，不是光电探测器。
3. 光电二极管工作在（）A. 正向偏置B. 反向偏置C. 零偏置D. 以上均可答案：B解析：光电二极管通常工作在反向偏置状态，以提高其响应速度和灵敏度。
4. 雪崩光电二极管的主要特点是（）A. 高灵敏度B. 低噪声C. 高速响应D. 以上都是答案：D解析：雪崩光电二极管具有高灵敏度、低噪声和高速响应等优点。
5. 光电探测器的响应度与（）有关A. 入射光波长B. 入射光强度C. 探测器面积D. 以上都是答案：D解析：光电探测器的响应度与入射光波长、入射光强度和探测器面积等因素都有关系。
6. 提高光电探测器响应速度的方法不包括（）A. 减小探测器的电容B. 增加负载电阻C. 采用高速的材料D. 优化电路设计答案：B解析：增加负载电阻会降低响应速度，而减小探测器电容、采用高速材料和优化电路设计可以提高响应速度。
7. 以下哪种光电探测器适用于高速光通信（）A. 普通光电二极管B. PIN 光电二极管C. 雪崩光电二极管D. 以上均可答案：C解析：雪崩光电二极管具有高速响应特性，适用于高速光通信。
8. 光电探测器的量子效率表示（）A. 输出电信号与输入光信号的比值B. 产生的电子-空穴对与入射光子数的比值C. 探测器的灵敏度D. 探测器的噪声水平答案：B解析：量子效率是指产生的电子-空穴对与入射光子数的比值。
9. 光电探测器的噪声主要来源不包括（）A. 热噪声B. 散粒噪声C. 1/f 噪声D. 光噪声答案：D解析：光噪声通常不是光电探测器的主要噪声来源，热噪声、散粒噪声和1/f 噪声是常见的噪声来源。
光电检测器件工作原理及特性解读
二、特性参数
1、响应度（或称灵敏度）S
电压响应度：SV=Vo/Pi
电流响应度：SI=Io/Pi
其中：Vo和Io分别为光电检测器输出电压和输出电流。P为入射光功率（或用通量Φ表示）。
2、光谱响应度S(λ)
热噪声电压和电流均方值为：？=4kTRΔf ？=4kT(Δf/R) 其中R为导体电阻，k为玻耳兹曼常数，T为导体的热力学温度，Δf为测量系统的噪声带宽。
热噪声存在于任何电阻中，与温度成正比，与频率无关，说明热噪声是由各种频率分量组成，可称为白噪声。
阻值与温度变化关系：
ΔR=αTRΔT
αT为电阻温度系数 R为元件电阻
当温度变化足够小时， αT=1/R*dR/dT
对金属材料，R=BT，则αT=1/T，呈反比关系。
对半导体材料，R与T具有指数关系，则αT=-B/T2。说明温度越高，电阻温度系数越小。B为常数，典型值3000K。
3、 温差电效应
由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应。
S/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关，入射辐射强，接收面积大，则S/N就大。但性能不一定就好，对两种光电器件只有在相同信号辐射功率相同情况下才能比较。
9、线性度（非线性误差δ）： 线性度是描述光电检测器输出信号与输入信号保持线性关系的，即在规定范围内，光电检测器的输出电量正比于输入光量的性能。光电检测器件的响应度是常数的范围称为线性区。
光电导对光强变化反应的惰性引起光电流变化的延迟
输出光电流与光功率调制频率变化关系是一低通特性。
3、光电导增益
光电信号检测 光电探测器概述
6. 光学视场
7. 背景温度（红外）
二、有关响应方面的性能参数
1．响应率（响应度)Rv或RI
• 响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测 器输出信号与输入辐射之间关系的参数。
• 定义为光电探测器的输出均方根电压VS或电流IS 与入射到光电探测器上的平均光功率之比，并分 别用RV 和RI 表示，即
hc w (逸出功)
hc/ w
低于阴极材料逸出功则不能产生光电子发射。阳极接收光电 阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。 • 主要有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。应用最广的 是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电 流增益，能检测极微弱的光辐射信号。 • 波段：可见光和近红外（<1.25μm） • 特点：响应快、灵敏度高
热探测器的特点： 无光谱选择性、不需制冷、响应慢、噪声限制
§2－2 光电探测器的性能参数
一、 光电探测器工作条件
• 光电探测器的性能参数与其工作条件密切相 关，所以在给出性能参数时，要注明有关的 工作条件。只有这样，光电探测器才能互换 使用。
1．辐射源的光谱分布
• 很多光电探测器，特别是光子探测器，其响应是辐射波长的 函数，仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。 • 所以在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所 用辐射源的光谱分布。
随着激光与红外技术的发展，在许多情况下单个 光探测器已个能满足探测系统的需要，从而推动 了阵列(线阵和面阵)光辐射探测器的发展。 目前，光电探测器的另一个发展方向是集成化， 即把光电探测器、场效应管等元件置于同一基片 上。这可大大缩小体积、改善性能、降低成本、 提高稳定性并便于装配到系统中去。 电荷耦合器件(CCD)也是近年来研究的一个重要 方面，其性能达到相当高的水平、将光辐射探测 器阵列与CCD器件结合起来，可实现信息的传输。
光电检测器件工作原理及特性(精)
辐射度量与光度量 半导体物理基础 光电检测器件的物理基础 光电检测器件的特性参数
1.1辐射度量和光度量
一、光的基本性质 波粒二象性 17世纪牛顿提出光的微粒说 惠更斯、杨氏和费涅尔等提出光的波动说 1860年Maxwell的电磁理论建立，光也是一 种电磁波
电磁波的范围很 广，波长从几个 皮米到数千米
I dΦ dw
单位：砍德拉 cd
3、光出射度 M
光源表面给定点处单位面积向半空间内发出 的光通量
M dΦ dA
单位：流明/米2 lm/m2
4、光照度 E
被照明物体给定点处单位面积上的入射光 通量
E dΦ dA
单位：勒克斯 lx
S
点光源照明时的照度
n
E
I l2
cos
垂直照明时：
E
I l2
5、光亮度
3）禁带（Forbidden Band） 允许被电子占据的能带称为允许带。 允许带之间的范围不允许电子占据称为禁带。
电子中是先占据原子壳层中的内层允许带， 然后再向高能量的外面一层允许带填充。 被电子占满的允许带称为满带。 每一个能级上都没有电子的能带称为空带。
4）价带（Valence Band） 原子中最外层的电子称为价电子，与价电 子能级相对应的能带称为价带。 5）导带（Conduction Band） 价带以上能量最低的允许带称为导带。
3、光谱辐射强度 I I () dIe () d
4、光谱辐射亮度 L L () dLe () d
5、光谱辐照度 E E () dEe () d
它们与总辐射度量值之间的关系：
M e 0 M ()d
Ie 0 I ()d
Le 0 L ()d Ee 0 E ()d
光 电 探 测 器
为使入射光功率有效转换成光电流，它须在耗尽区内被半 导体材料有效吸收，故要求耗尽区足够厚、材料对入射光 的吸收系数足够大。在厚度W内被材料吸收的光功率可表 示为 ： PW P 1 e W
0
P0为入射光功率； α (λ)材料的吸收系数，其大小与材料 性质有关，且是波长的函数。通常使用的PIN光电二级管 半导体材料。不同材料适用于不同的波长范围。当工作 波长比材料的带隙波长 λC=1.24/Eg(μm)长时，吸收系数 急剧减小。 为获得最佳的转换效率——量子效率及低的暗电流(它随 带隙能量的增加按指数减小)，理想光电二极管材料的带 隙能量Eg应略小于与最长工作波长相对应的光子能量。 在0.85μm短波长区，Si是最优选材料，截止波长1.09μm， 吸收系数a(λ)≈600cm-1，穿透深度17μm。 在长波长区，Ge和InGaAs合金可选用为 光电二极管材料。
1 exp W
W
1, 1
W ,
但是W 增大时，产生的电子空穴对要花较长 的时间才能到达结边被收集，这样又降低了光 检测器的响应速度。
1.0
• 对于波长的限制：
0.8 70% Si 0.6 50% Ge 0.4 30% InGaAs
hc c Eg
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P+和N+掺杂浓度很高。 且I层很厚，约有 5~5 0μm，吸收系数 很小，入射光很容易进 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对,因而大幅度提高
P+ Ⅱ(N)
N+
电极
E
PIN光电二极管结构
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要求信噪比高： 要求脉冲形状好：
最佳带宽
3.如何确定检测电路带宽？
正弦调制信号: 振幅调制： 频率调制：
f 2F
f 2 mf 1F
脉冲波信号：
要求信噪比高：
f (0.25 ~ 0.75) 1
td
td为脉冲宽度
要求脉冲形状好： f （1～4） 1
a 给定输入光照度，在负载上取最大功率输出
满足的条件是： GL g Gb
Um
g
SE Em Gb GL
RL=Rb, g<<Gb
RLC j
2
f HC
1
RLC j
Cj
g GL Gb
f HC
1
2
b 负载上取最大电压输出： RL》Rb, g<<Gb
RbC j
SEe
j
0
RL 2
Cj
f HC
1 RLC j
2) 输出最大电压
RL >> Rb Gb >> g
uL
Rb S E e
1 j
0 RbC j
f HC
2
1 RbC j
3) 输出最大电流
uL
RL S E e
1 j
Rb >> RL
0 RLC j
g 很小
f HC
2SEeULg GL Gb1 j
其中 C j
g GL Gb
称为检测电路的时间常数
检测电路的上限截止频率：
f HC
1
2
可见检测电路的频率特性， 不仅与光电二极管的参数Cj 和g 有关，还取决于放大电 路的偏置电阻和负载
Cj
g GL Gb
f HC
1
2
jC j
10.1.3 光电检测电路的频率特性分析与设计
耦合电容对高频信 1．光电检测电路的高频特性 号可视为短路
UL
g
GL
SEe Gb
jC j
SEe
g GL Gb
1 j( C j )
g GL Gb
10.1.3 光电检测电路的频率特性分析与设计
1．光电检测电路的高频特性
td
10.1.3 光电检测电路的频率特性分析与设计
1．光电检测电路的高频特性
输入光照度： e E0 Em sin t
由图可得：
SEe iL ib i j ig
UL
iL GL
ib Gb
ij
jC j
ig g
耦合电容对高频信 号可视为短路
UL
g
GL
SEe Gb
1）正弦波检测电路的带宽 载波频率为f0
调制频率为F
电路带宽Df ＝ 2F
正弦调幅： f B 2F
正弦调频： f B 2 mf 1 F
2）脉冲波信号的带宽分析
td
S
(t
)
Am，
0，t2d
t t
td 2
T 2
T
td－脉冲宽度
S(t) b0 bn cos n2πf0t
2．光电检测电路频率特性的设计
检测电路频率特性的设计大体包括下列的三个基本内容：
1）对输入光信号进行傅里叶频谱分析，确定信号的频谱分布
2）确定多级光电检测电路的允许通频带宽和上限截止频率。
n1
bn
2td T
Am
sin nπf0td nπf0td
脉冲波频谱分析
脉冲重复频率f0 = 200kHz， 脉宽td=0.5μs
2）脉冲波信号的带宽分析 sin nf0td 0 nf0td nf0td
n 1/ f0td
主要能量在第一过零点内，周期 性矩形脉冲信号的带宽为：
Df = fHC － fLC ≈ fHC
2. 带宽对信号质量的影响
带宽Δf
Δf 太小，频率失真
（波形失真）
Δf 太大，噪声大
（例：热噪声）
电路带宽Δf 根据信号的频谱特性来确定
带宽选择的原则： 保持信号频谱中绝大部分能量通过而削掉部
分频谱能量较低的高频分量。尽量做到在不 失真的情况下提高信噪比。
3.如何确定检测电路带宽？
1 RLC j
RL 和 Rb 的选取
考虑增益和带宽
2．光电检测电路频率特性的设计
• 目的：使检测电路具有足够宽的频率响应，以便能对复杂的 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。
• 方法：快速变化的光信号可以看作是若干不同谐波分量的叠 加。信号的频率失真会使某些谐波分量的幅度和位相发生变 化导致合成波形的畸变。为避免频率失真，保证信号的全部 频谱分量不产生非均匀的幅度衰减和附加的相位变化，检测 电路的通频带应以足够的宽裕度覆盖住光信号的频谱分布。
B nf0 1/ td
传送的矩形脉冲的脉冲宽度越 窄，要求电路的带宽也越大。
td T
S(t) b0 bn cos n2πf0t
n1
bn
2td T
Am
sin nπf0td nπf0td
主要频谱能 量范围
B
1 T
3.如何确定检测电路带宽？
电路带宽增大，信号峰 值功率增加－常数
1
fHC 2RbC j
为从光电二极管中得到足够的信号功率和电压，负载电阻 RL和Rb不能很小。但过大的阻值又使高频截止频率下降， 降低了通频带宽度，因此负载的选择要根据增益和带宽的要 求综合考虑。
Cj
g GL Gb
f HC
1
2
c 负载上取最大电流输出： RL《Rb, 且g很小
RLC j
f HC
1
2RLC j
在电流放大的情况下，负载RL取得很小，由后级放大 得到足够的信号增益，因此，可以采用低输入阻抗、高增 益的电流放大器使检测器工作在电流放大状态，以提高频 率响应。
光电检测电路的频率特性
1) 给定光照度 输出最大功率
RL = Rb Gb >> g
uL
RL 2 1
光电检测电路
背景
光学系统
目标
调制器
偏置电路
光电 探测器
前置 放大器
光电检测电路
信号 处理
显示
➢光电检测器件：光电变换 核心
➢偏置电路：连接光电检测器件和前置放大及耦合电路的中 间环节，为光电器件提供正常的电路工作条件，同时完成与 前置放大及耦合电路的电路匹配。
➢前置放大及耦合电路：输入信号的精确检测
10.1.1 检测电路的基本结构和技术要求
光电检测电路
背景
光学系统
目标
调制器
偏置电路
光电 探测器
前置 放大器
信号 处理
显示
基本任务
光电检测电路
偏置电路设计（静态设计）
频率响应设计（动态设计） 噪声特性设计
10.1.2 检测电路的带宽
1. 带宽的含义
K( f )
100% 70.7%
fLC
fHC f