光电检测电路的带宽和频率特性(精)
光电探测器的性能参数PPT学习教案
if
i f 0
1 (2f )2
τ称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。
23
三、频率灵敏度Rf
频率灵敏度
Rf
R0
1 (2f )2
这就是探测器的频率特性，R f随f 升高而下降的速度与τ值大小关系很大。
一般规定，R f下降到
R0 / 2 0.707R0
频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率。
表达式
Ri
di dp
i p
du u Ru dp p
R
i dP
Rf
if p
h
e
Ri
Pth
in Ri
NEP Ps SNR i 1
单位
安/瓦 伏/瓦 安/瓦 安/瓦
瓦 瓦
D*
Af / NEP
厘米.赫兹1/2/ 瓦
5
1、光电探测器的特性的微观量-宏观量描述是 什么？
量子效率
h
e
Ri
单位时间单位光量子数产生的光电子数。 就是等量子光谱响应曲线中用光电子数代替电流或电压。
二光谱灵敏度r28通常给出的是相对光谱灵敏度s27引入相对光谱功率密度函数它的定义为就有积分上式有dp变化量二光谱灵敏度r并注意到由此便得25若入射光是强度调制在其它条件不变下光电流若入射光是强度调制在其它条件不变下光电流iiff将随调频将随调频ff的升高的升高而下降这时的灵敏度称为而下降这时的灵敏度称为频率灵敏度频率灵敏度rrff是光电流时变函数的付里叶变换通常称为探测器的响应时间或时间常数由材料结构和外电路决定
半导体激光器把电功率转化为光功率发射出去，用功率效率和量子效
率来衡量激光器转换效率的高低。
功率效率定义为
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
光电探测器探测性能多参数分析
光电探测器探测性能多参数分析光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的设备，广泛应用于光通信、光电子学、生物医学等领域。
光电探测器的探测性能对于其应用效果具有重要影响，因此准确分析和评估光电探测器的性能参数是必不可少的。
1. 灵敏度光电探测器的灵敏度是指能够探测到的最小光功率。
通常用单位面积功率密度来表示。
灵敏度越高，意味着该探测器在较弱的光信号条件下仍能正常工作。
灵敏度的高低取决于光电探测器的设计及其所采用的材料。
一种常见的评估指标是光电探测器的响应度。
2. 噪声等效功率噪声等效功率指的是在光电探测器工作状态下，由于设备本身所产生的噪声引入到输出信号中的功率。
噪声等效功率是光电探测器性能的重要参数之一，能够影响到信号与噪声的比值，从而影响信号的清晰度和精确度。
3. 响应时间响应时间是光电探测器从光信号到电信号的转换所需的时间。
这个时间对于对时间精度要求比较高的应用非常重要，如高速通信和光纤通信。
较快的响应时间有助于光电探测器更快地对光信号进行处理和传输。
4. 波长响应特性波长响应特性是指光电探测器对不同波长的光源的响应能力。
由于不同波长的光源具有不同的能量和频率特性，因此光电探测器在不同波长下的响应特性可能有所差异。
光电探测器的波长响应特性需要与具体应用需求匹配。
5. 饱和光功率饱和光功率是指使光电探测器输出信号达到最大值所需输入光功率。
饱和光功率与灵敏度相关，可以用来评估光电探测器的动态范围。
较高的饱和光功率可以使光电探测器在高强度光信号条件下工作稳定。
6. 线性范围光电探测器的线性范围指的是输入光功率的变化范围，使得其输出信号与输入信号之间呈现线性关系。
较宽的线性范围意味着光电探测器能够适应更大范围的输入光功率变化，从而提高测量的精确性和可靠性。
以上介绍的参数只是光电探测器性能分析中的一小部分，还有一些其他的性能指标也是需要考虑的，如扩散响应、非线性特性等。
在实际应用中，根据具体的需求选取相应的参数进行分析和评估是非常重要的。
物理实验技术如何测量光电测试参数与特性
物理实验技术如何测量光电测试参数与特性光电测试是物理学中一项关键的技术，它涉及到测量光电子器件的特性和参数。
光电子器件是一种能够将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号的器件，它在许多领域都得到了广泛的应用，如光通信、太阳能电池等。
为了能够准确地评估和改进光电子器件的性能，需要借助物理实验技术来测量和分析其参数和特性。
光电测试的主要目标是测量器件的光电流、响应时间、光谱响应和光电转换效率等参数。
其中，光电流是指光电子器件在受光照射下产生的电流，它与入射光的强度和光子能量之间有着密切的关系。
为了测量光电流，常用的方法是利用光电二极管或光电倍增管来转换光信号为电信号，并通过电流表或示波器来测量。
在实验中，可以调节入射光的强度和光波长来研究其对光电流的影响，从而研究器件的光谱响应和光电转换效率。
除了光电流，响应时间也是光电子器件的重要特性之一。
响应时间是指光电子器件从受光刺激到产生响应信号的时间间隔，它反映了光电子器件对于快速变化光信号的响应速度。
在实验中，可以通过对器件施加快速的光脉冲信号，并观察器件输出信号的变化来测量响应时间。
常用的方法包括光脉冲发生器和示波器等设备，通过调节脉冲信号的频率和幅度，可以实现对光电子器件响应时间的精确测量。
除了光电流和响应时间，光谱响应也是光电子器件的一个重要性能参数。
光谱响应是指光电子器件对不同波长或能量的入射光的响应程度。
不同的光电子器件对不同波长的光具有不同的响应特性，通过测量光电子器件在不同波长光下的输出电流或电压，可以得到器件的光谱响应曲线。
常用的设备包括光源、单色仪和光电流表等。
利用这些设备，可以实现对器件的光谱响应进行准确测量和分析。
最后，光电转换效率是衡量光电子器件性能的重要指标。
光电转换效率是指光电子器件将入射光能转化为输出电信号的效率，它与器件的结构、材料和工艺等因素密切相关。
为了测量光电转换效率，需要准确测量器件的输入光功率和输出电流或电压，并通过计算得到。
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（）。
光电检测器的特性参数
还要考虑探测器的稳定性、测量精度、 测量方式等等
作业：
1、一光电探测器，其噪声等效功率
NE 5P 10 1W 0 /H12z，光敏面积 Ad 0.5cm2 ，
测量带宽 f 1kHz ，试计算此光探测器的
探测率D和归一化探测度D*
2、波长 1.3m的光辐射入射到量子效 率 0.2 的光探测器上，当入射的平均
量子效率η:表示探测器单位时间内激发
的电子数和吸收的光子数之比。
这里给出量子效率和灵敏度关系： h C R S
又有光谱量子效率
：
hC q
S
q
量子效率正比于灵敏度而反比于波长。
三、线性度
探测器的输出光电流(或光电压〕 与输入光功率保持线性关系的程度和 范围。在这个范围内，探测器件的响 应度是常数，这一规定的范围就称为 线性区。
〔3〕噪声等效功率〔NEP〕
最小可探测功率Pmin
定义：信号功率与噪声功率之比为1〔即S/N=1〕 时，入射到探测器件上的辐射通量〔单位为瓦〕
NEP e S/N
NEP=ENI 条件：ENI的单位为瓦
一个良好的 探测器件的 NEP约为10-
11W
NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。
〔4〕探测率D与归一化探测度D*
几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要 出现在大约1KHz以下的低频频域，而且与光辐射的 调制频率f成反比，故称为低频噪声或1/f 噪声。
实验发现，探测器外表的工艺状态(缺陷或不均 匀等)对这种噪声的影响很大，所以有时也称为外表 噪声或过剩噪声。
1/f 噪声的经历规律为 ：un2in2 KKf fIIR ffff
光电检测原理与技术知到章节答案智慧树2023年内蒙古大学
光电检测原理与技术知到章节测试答案智慧树2023年最新内蒙古大学第一章测试1.以下属于光电检测仪器的有（）。
参考答案:光敏电阻2.光电检测系统的组成包括（）。
参考答案:光电探测器;光电检测电路;光源;光学系统3.以下属于光电检测技术的特点的有（）。
参考答案:寿命长;速度快;距离远;精度高4.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。
（）参考答案:对5.半导体激光器在激光外径扫描仪中起到提供光源的作用。
（）参考答案:对第二章测试1.可见光的波长范围是（）。
参考答案:380 nm～780 nm2.半导体对光的吸收种类不包括（）。
参考答案:电子吸收3.荧光灯的光谱功率谱是（）。
参考答案:复合光谱4.激光器的发光原理是（）。
参考答案:受激辐射5.视角分辨率的单位通常为（）。
参考答案:lpi6.光调制包括（）。
参考答案:PM;AM;FM7.电光效应反映介质折射率与电场强度可能呈（）。
参考答案:平方关系;线性关系8.大气散射包括（）。
参考答案:瑞利散射;无规则散射;米氏散射9.光纤损耗包括（）。
参考答案:吸收损耗;散射损耗10.参考答案:1.63 lm和5.22×105 cd第三章测试1.以下主要利用光电子发射效应的光电器件有（）。
参考答案:光电倍增管;真空光电管2.可用作光敏电阻的主要材料包括有（）。
参考答案:有机材料;半导体;金属;高分子材料3.以下主要利用光伏效应的光电器件有（）。
参考答案:CIGS电池4.以下属于声光调制晶体的有（）。
参考答案:PbMoO5.以下效应可用于普朗克常量测量的是（）。
参考答案:光电效应6.光伏探测器处于光电导工作模式，其外加偏压为正向偏压。
（）参考答案:错7.光敏电阻的电阻温度系数可正可负。
（）参考答案:对8.光电导探测器的工作原理是多子导电。
（）参考答案:对9.光电倍增管的阳极灵敏度和阴极灵敏度之比是电流增益。
光电检测器件工作原理及特性
线性区的下限 光电器件的暗电流和噪声决定 线性区的上限 饱和效应或过载决定
四、工作温度
光电检测器件的工作温度：最佳工作状态时的温度
五、光电检测器件的合理选择
1. 根据待测光信号的大小，确定检测器的动态范围； 2. 检测器的光谱响应范围是否与待测光信号的光谱匹配； 3. 检测器的最小分辨率、信噪比； 4. 当待测光信号功率变化时，检测器的线性度； 5. 检测器的稳定性、测量精度、测量方式等因素。
视觉的刺激强度，引入光通量 v 定义：
v CV e
其 中 ： C—— 比 例 系 数 ， 683 lm/W，V ——视见函数，描 述人眼对各种波长辐射能的相
对敏感度，e 即辐射通量.
对光通量：
v
dQv dt
3）辐射出(射)度和光出(射)度 辐射出射度：面辐射源单位面积上辐射的辐射通量，即
M
dr
光电导器件结构：
载流子的寿命 载流子在两极间的渡越时间
电极
引线
引线 光导电材料
绝缘衬低
2. 杂质光电导效应
截止波长
0
hc
Ed Ea
3. 光生伏特效应
光 生 伏 特 效 应 是 基 于 半 导 体 PN 结 基础上的一种将光能转换成电能的 效应。当入射辐射作用在半导体 PN 结 上 产 生 本 征 吸 收 时 ， 价 带 中 的光生空穴与导带中的光生电子在 PN结内建电场的作用下分开，并 分别向两个方向运动，形成光生伏 特电压或光生电流的现象。
描述光电检测器对入射光响应的快慢
入射光
I
1 0.9
0.1 0 上升时间τr
光电检测器件的特性参数
I1
O
12
Φ
线性度是辐射功率的复杂函数，是指光电器件中的实际响应
曲线接近拟合直线的程度。通常用非线性误差 来度量，即
max
2 1
式中： max
为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差； 1
、
2 分别为线性区中的最小和最大响应值。
13
10、工作温度
光电检测器工作温度不同时，工作性能将会有所变化。例如 HgCdTe（汞镉碲）检测器在低温（77K）工作时，有较高的信 噪比。而锗掺铜光电导器件在4K左右时，能有较高的信噪比。但 如果温度升高，它们的性能会逐渐变差，以致无法使用。又如 InSb（锑化铟）器件，工作温度在300K，长波限为7.5um，峰值 波长在6um；而工作温度为77K时，长波限为5.5um，峰值波长 为5um，变化很明显。对于热电检测器，由于环境检测工作温度 变化会使响应度和热噪声发生变化，所以，光电检测器工作温度 是最佳工作状态时的温度，是光电检测器重要的性能参数之一。
则S/N就大，但性能不一定就好。因此，用S/N来评价光器件有 一定的局限性。
11
9、线性度（非线性误差δ）
线性度是描述光电检测器的光电特性或光照特性输出信号与 输入信号保持线性关系的程度，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。如果在某一规定的范围内光电 检测器的响应度为常数，则这一规定的范围称为线性区。
②响应慢。即吸收辐射后再产生信号所需要的时间长， 一般在几毫秒以上。
光电检测器件的物理基础： 光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变 化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。 外光电效应：产生电子发射。 内光电效应：内部电子能量状态发生变化。 光电检测器件应用广泛，我们通常所说的光电检测器 件指的就是这种检测器件。这种检测器件可分两大类：电真 空或光电发射型检测器件，如光电管和光电倍增管；固体或 半导体光电检测器件，如光导型（光敏电阻）和光伏型（光 电池与光电二、三极管等）检测器件。它们的特点是： ①响应波长有选择性。因为这些器件都存在某一截止波长 λ0，超过此波长，器件无响应。 ②响应快。一般为纳秒到几百微秒。
光电探测器灵敏度、偏置和带宽
实验2. 光电探测器：灵敏度、偏置和带宽摘要:本实验将用到实验1测量的中同样为1550 nm激光器，将利用信号发生器调制激光器，并在不同的偏置条件下测量不同光电探测器的灵敏度和带宽；将对商用光电接收器进行同样的测试，比较测量结果。
本实验的目的是了解半导体光电探测器基本使用及其偏置电路最优化设计，之后在本实验和下面的实验中将利用你自己搭建的光电接收器测量激光器及光纤的模式。
有关安全问题同实验1的描述。
步骤:激光器如同实验1一样，让激光器工作温度20℃，输出功率2m W（如果实验1中激光器工作温度不是20℃，则选择的温度应接近20℃）；用功率计（用衰减器）检查激光装置；如同实验1中对激光器直接调制。
将信号发生器连接到示波器输出不同的波形、振幅和频率。
输出一个幅度为0.05 V、频率100Hz弦波。
信号发生器连接到电流源的输入，确信信号发生器没有超出激光器的最大调制速率。
光伏型光电探测器测量光路如图2.1所示。
光电探测器是一光敏面I nGaAs光敏二极管。
注意光电二极管直接连接到示波器的DC端以便观察激光器的调制信号，通过1M阻抗（示波器的输入阻抗）和衰减器适当衰减就可观察到信号，如果需要增加信号强度可去掉衰减器。
观察加在激光器的偏置电流和调制电压如何导致信号的削波。
导致削波的机理是什么？是信号使光电探测器饱和了吗？图2.1不同偏置条件下半导体激光器的调制及光电探测器的灵敏度和带宽测试装置激光器的偏置应加在其线性区域中心（无失真区），即大信号输入时产生的上下削波量相同。
在该偏置电流下确定示波器能够探测到的最小调制电压信号。
什么是信号的调制度？图2.2给出了信号调制度的定义。
图2.2.调制度定义为：m = (Imax-Imin)/Imax使激光器偏置始终处在线性区域中心，在信号不失真情况下确定最大调制信号。
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
四象限光电探测器电路_概述解释说明
四象限光电探测器电路概述解释说明1. 引言1.1 概述本文介绍了四象限光电探测器电路的概念、原理和应用领域。
四象限光电探测器是一种能够实现光信号的双向检测和定位的器件。
它具有高灵敏度、快速响应和良好的定位准确性等优势，因此在许多科学研究和工程应用中得到广泛应用。
1.2 文章结构本文共分为五个部分：引言、四象限光电探测器电路、四象限光电探测器电路的组成部分、实验与结果分析以及结论与展望。
引言部分对本文的内容进行了简要概述，接下来将详细说明四象限光电探测器电路的原理、概念和应用领域。
然后，我们将讨论构建四象限光电探测器电路所需的关键要素以及信号处理与放大电路设计方法。
接着，我们描述了进行实验的设备和试验方法，并展示并分析了实验结果。
最后，文章总结回顾了四象限光电探测器电路，并展望了进一步研究中存在的问题和改进方向，以及该技术的应用前景和发展趋势。
1.3 目的本文的目的是全面介绍四象限光电探测器电路的原理和应用，为读者提供一个清晰的了解这一技术的框架。
通过详细描述四象限光电探测器电路的组成部分和信号处理方法，读者可以了解到如何构建和优化这种电路。
此外，实验结果和分析将进一步验证该技术在不同领域中的应用性能，并为未来研究提供参考。
通过阅读本文，读者将对四象限光电探测器电路有一个全面而深入的理解，并能够探索其更广阔的应用前景。
2. 四象限光电探测器电路2.1 光电探测器原理光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的装置。
其工作原理基于内部光敏材料与外界光线相互作用，产生电流或电压输出。
常见的光电探测器包括光敏二极管、光敏三极管、光敏场效应晶体管等。
2.2 四象限光电探测器的概念和优势四象限光电探测器是一种能够在两个正交方向上进行双向测量的特殊类型的光电探测器。
传统的单象限光电探测器只能在一个方向上进行单向测量，而四象限光电探测器可以同时获取样品对于输入光源位置和运动速度的信息。
四象限光电探测器具有以下几个优势：1. 双向检测：四象限结构使得该种类型的光电探测器能够检测目标物体在平面上的水平和垂直运动。
【精编】第十一讲光电探测器的性能参数介绍PPT课件
光电倍增管
本讲主要内容
一、积分灵敏度R 二、光谱灵敏度Rλ 三、频率灵敏度Rf 四、量子效率η 五、通量阈Pth 六、噪声等效功率NEP 七、归一化探测度D*
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一、积分灵敏度R
灵敏度也常称作响应度，是光电探测器光电转换特 性，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。
光电流i(或光电压u)和入射光功率P之间的关系i＝f (P)，称为探测器的光电特性。
i F (u, P, , f )
以u，P，λ为参变量，i＝F（ f ）的关系称为光电频率特性，相应曲
线称为频率特性曲线。 i=F (P)及曲线称为光电特性曲线。 i＝F (λ)及其曲线称为光谱特性曲线。
i＝F (u)及其曲线称为伏安特性曲线。
一旦曲线给出，灵敏度R值就可从曲线中求出，还可以利用伏安特性 等曲线来设计探测器的使用电路。
量子效率 通量阈 噪声等效功率 归一化探测度
物理描述
光电转换特性的量度
对某一波长光电转换的量度 电流随调制频率变化的量度 吸收的光子数和激光的电子数之比 探测器所能探测的最小光信息功率 单位信噪比时的信号光功率
表达式
Ri
di dp
i p
Ru
du dp
u p
R
i dP
Rf
if p
h
e
Ri
Pth
in Ri
光电鼠标灵敏度
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一、积分灵敏度R
灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即
Ri
di dP
i P
(线性区内) (安/瓦) 或微安/流明
Ru
du
dP
u P
(线性区内) (伏/瓦)
R i和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和u称为电表测量的电流、 电压有效值。
光电探测器的性能参数
光电探测器的性能参数
1.1.3 光电探测器的性能参数
光电系统一般都是围绕光电探测器的性能 进行设计的， 探测器的性能由特定工作条件下的一些 参数来表征。
光电探测器的工作条件
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。主要工作条件有： 1．辐射源的光谱分布 2．电路的通频带和带宽 3．工作温度 4．光敏面尺寸 5．偏置情况
●如果对这些随时间起伏的电压(流)按时间取平均ห้องสมุดไป่ตู้，
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。
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。
光电检测器件的基本特性与概念
光电检测器件的基本特性与概念
一、光电检测器件的概念
利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件。
二、有关响应方面的特性参数
1、响应度（灵敏度）
响应度是光电探测器输出信号（电压或电流）与输入辐射功率之间关系的度量，从下两图看，如果是同一光源来照射，右图的响应度就比左边的要高。
红外线供应网
2、响应时间
描述光电探测器对入射辐射响应快慢地一个参数。
即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射被遮断后，其输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间。
3、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。
4、光谱响应
从曲线图中可以看出黑色封装的胶体可以对可见光进行过滤
5、光谱特性（用单位辐射通量的不同波长的光分别照射时，光电池相对输出短路电流大小）
光敏电阻的优缺点
1、优点：灵敏度高，工作电流大，光谱响应范围与所测光强范围宽、无极性使用方便；
2、缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大等。
3、主要应用在红外的弱光探测与开关控制。
（照相机的电子快门）。
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基本任务
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
Df = fHC － fLC ≈ fHC
2. 带宽对信号质量的影响
Δf 太小，频率失真
带宽Δf
（波形失真）
Δf 太大，噪声大
（例：热噪声）
最佳带宽
要求信噪比高： 要求脉冲形状好：
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： 脉冲波信号： 要求信噪比高： 要求脉冲形状好：
1 D f (0.25 ~ 0.75) td
Df 2 F
Df 2m f 1F
td为脉冲宽度
1 Df （1～ 4 ） td
RbC j
f HC
1 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
1 2
f HC
c 负载上取最大电流输出： RL《Rb, 且g很小
sin nπf 0td 2td bn Am T n π f t 0 d
B nf 0 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。
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 电路带宽增大，噪声功率 增加－最佳带宽
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）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： D f B 2F
正弦调频： D f B 2 m f 1 F
SEe g GL Gb UL 1 j
其中
Cj g GL Gb
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
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
Cj
g GL Gb 1 f HC 2
f HC 1 RLC j
Gb >> g
RL SEe uL 2 1 j
2) 输出最大电压
R>> Rb
Gb >> g
f HC 1 2 RbC j
0 RbC j
3) 输出最大电流
RL S E e uL 1 j
Rb >> RL
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： 由图可得：
e E0 Em sin t
S E e iL ib i j ig ij ig ib iL UL GL Gb jC j g
耦合电容对高频信 号可视为短路
SE e UL g GL Gb jC j
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 nf 0t d 0 nf 0t d
S (t ) b0 bn cos n 2πf 0t
n 1
td
T
nf 0td
n 1/ f 0td
主要能量在第一过零点内，周期 性矩形脉冲信号的带宽为：
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
0
RL Cj 2
RL = Rb
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 目标 调制器 光学系统 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
2）脉冲波信号的带宽分析
td
T
td－脉冲宽度
td A ， t m 2 S (t ) t T d 0， t 2 2
S (t ) b0 bn cos n 2πf 0t
n 1
sin nπf 0td 2td bn Am T nπf 0td
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
SE e UL g GL Gb jC j
SEe g GL Gb Cj 1 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
第10章
光电检测电路与信号处理
电学信号变换
偏置电路 调制器 光电 探测器 前置 放大器 光电检测电路 信号 处理 显示
光学信号变换
背景 目标 光学系统
光－电信号变换
光电检测电路
背景 目标 调制器 光学系统 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
Um S E Em g Gb GL
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
RL=Rb, g<<Gb
RLC j 2
f HC
1 RLC j
Cj g GL Gb
1 2
f HC
b 负载上取最大电压输出： RL》Rb, g<<Gb
0 RLC j
g 很小
f HC 1 2 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。