实验一光电二极管光电三极管光照特的测试

相关器 信号输入 PSD输出
参考输入
输出
交流、直流噪声电压表表 交流输入
频率计 输入
宽带相移器 输入 同相输出
相位计 信号输入
参考输入
3端为输出端，R3是限流电阻，避免由于电流过大 而烧坏红外发光管D，其输出信号为方波，占空比 为 R1 。 R1 R2
② 接收电路由光电三极管、放大驱动电路和负载组成。 由于外接负载的不同，所采用的放大电路的形式也很 多。
如果负载电流较小，可采用晶体管作放大器，输出端 直接带负载（如图2）。
信号输入
加
法
噪声输入
器
面板控制
信号输入 ×1,×10,×100
面板控制 PSD输出
乘法器 PSD
低通滤波器 T=0.1s,1s,10s
加法器输出
参考输入
方波驱动电路
面板控制
直流放大 ×1,×10,×100
直流输出
图5 相关器框图
四、实验内容与测试
1. 相关器的PSD波形观察及输出电压测量
多功能信号源 正弦波输出
3. 光电倍增管的特性和参数
① 阴极光照灵敏度
阴极光照灵敏度定义为光电阴极的光电流IK除以入
射光通量φ所得的商：
SK
IK
( A
Lm )
国际照明委员会的标准光照相应于分布温度为
2859K的绝对黑体的辐射。
② 阳极光照灵敏度
阳极光照灵敏度定义为阳极输出电流IA除以入射光
通量φ所得的商：
SA
IA
( A
Im)
的电流：
IC (1 )I p I p
β为电流放大倍数。
图2 光电三极管工作原理图
3. 光电二极管和光电三极管的伏安特性曲线
I
E4>E3>E2>E1>E0
E4
E3 E2
E1 E0
0
U
图3（a）光电二极管伏安特性曲线
I
E4>E3>E2>E1>E0
E4
E3 E2 E1
E0
0
U
（b）光电三极管伏安特性曲线
Vo
2R0VA
R1
n0、1、2...
1 {{ cos{[ (2n 1)R ]t Q2n1}
2n 1
1{[ (2n 1)R ]R0C0}2
t
e R0C0
cos( Q2n1)
}}
1{[ (2n 1)R ]R0C0}2
式中： Q2n1 tg 1[ (2n 1)R ]R0C0
φ=0º当ω=ωR时,图1各
实验二 硅光电池负载特性的测试
一、实验目的
1. 掌握硅光电池的正确使用方法。 2. 了解光电池零负载，以及不同负载时光电流
与照度的关系。
二、工作原理
1. 光电池具有半导体结型器件无源直接负载下的工作特
性，工作原理如图1所示。 RL外接负载为，Ip为光电
流，ID为二极管结电流。
光
Iφ
N
P
ID
RL
③ 奇次谐波能通过并抑制偶次谐波，传输函数和方波 的频谱一样，说明相关器是以参考信号频率为参数 的方波匹配滤波器。因此，能在噪声中或干扰中检 测和参考信号频率相同的方波或正弦波信号。输出
Vo与f/fR响应曲线如图3所示。
Vo
1/3 1/5 1/7 1/9 1/11
曲线表明在fR的各奇次谐波的响
应为基波的1/(2n+1)。 离开奇次谐波频率很快衰减，形 成Q值很高的带通滤波器。
场（光电二极管工作时加反向偏压Vb）作用下被分离，
形成光生电势，产生光电流，如图1所示
图1 光电二极管工作原理图
2. 光电三极管的原理性结构如图2所示。正常运用时，集电 极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置， 集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光
电流Ip向基区注入，同时在集电极电路产生了一个被放大
三、实验内容
1. 测量光电二极管的光电流和照度特性曲线。 2. 测量光电二极管不同照度下的伏安特性曲线。
四、实验仪器及装置
1. 实验仪器：光电二极管、钨丝灯、调压变压器、照度 表、毫安表、直流稳压电源等。
2. 实验装置如图4。
照度计
直流稳压电源
μA
调压变压器
光电探测器
图4 光电二极管光照特性测试装置
实验一 光电二极管、光电三极管
光照特性的测试
－、目的要求
1. 掌握光电二极管的工作原理和使用方法。 2. 进一步了解光电二极管的光照特性和伏安特
性，为设计光电系统前置放大器打下基础。
二、工作原理
1. 光电二极管是结型半导体光伏探测器件。当入射光子 能量大于材料禁带宽度时，半导体吸收光子能量将产 生电子空穴对。产生在PN结内的电子空穴对在内建电
② 当开路时，（RL=∞），（1）式外电流I=0则开路电压为：
Voc
VT
ln(1
Ip I SC
)
开路电压Voc与照度E几乎无关；所有照度下的开路电压Voc趋 于光电池正向开启电压V=0.6伏，并小于这个电压值。
③ 最佳负载，负载在RL=0～∞之间变化按经验公式求出最佳
负载：
Ropt
Vm Im
(0.6 ~ 0.8)Voc I sc
点的波形如图2所示。
注：图1中低通滤波器为 反相输入，因此，输出直
流电压与Vi反号，图2中
为了更直观起见，画的低
通滤波器不倒相， Vo与Vi
中的直流分量同号。
3. 对（2）式讨论有下列结论：
① 时间常数， T1＝R0C0
②
当ω=ωR时，Vo
2R0VA
R1
cos
输出直流电压与相位φ成cosφ关系。
促使毫伏电压表G1指示为零。此时，表示A点和B点 电位相同。相当于光电池在A、B二点外电路为零状 态下工作，根据电路平衡条件：
I2R3 (I1 I2 )R4 0
则光电流为：
I2
( R4 R4 R3
)I1
( 100 100 100
)
I1
1 2
I1
实验三 光电倍增管特性和参数的
测试
一、实验目的
③ 电流增益
电流增益定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳
极电流与阴极电流的比值，也可以用阳极光照灵敏度与
阴极光照灵敏度的比值来确定，即：
G IA IK
或 G SA
SK
• 暗电流
当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，阳极电路里 仍然会出现输出电流，称为暗电流。引起暗电流的因素 有：热电子发射、场致发射、放射性同位素的核辐射、 光反馈、离子反馈和极间漏电等。
2. 相乘电路不是采用模拟乘法器，而是采用开关电路。参考信
号VB可以认为是以频率ωR的单位幅度方波。VA为输入信号 ，表示为VA＝VAsin(ωt+φ)。当ω＝ωR为信号。ω≠ωR时 为噪声或干扰，VA、VB之间的相关差可以由锁定放大器参考 通道的相移电路调节，求得图1中Vi和Vo为：
Vi VA VB
二、基本原理
1. 相关器由相敏检波器与低通滤波器组成，是锁定放 大器的核心部件。锁定放大器中的相关器通常采用 图1所示的形式，由一个开关式乘法器与低通滤波器 组成。
源自文库
VA VA sin(t )
C0
VB
4
(sin Rt
1 3
sin
3Rt
......)
R0
Vi R1
V0
VA VB
图1 锁定放大器中通常 采用的相关器
2. 参考实验电路
① 发光电路由震荡电路和红外发光管HG413组成，电 路图如图1所示。
R1 2.2K
R2 51K ·
·
C1 0.2μF
·
4 7
6 2
11
·
8 R3 39Ω
3
5
D
HG413
C2
0.01μF
·
VCC (+5V)
图1 发光电路
时基集成块NE555输出震荡频率由外接电阻R1、R2 及电容C1决定。 f 1.43 (R1 R2 )C1
VCC
R2
（+5V）
6.2K
T1 3DU11
D (BT201)
T2 3DG6 R1 51K
图2 晶体管放大电路
采用运算放大器作放大电路（如图3）该电路特点是： 电路简单，调试方便，工作稳定可靠。但输出电流仍受 运算放大器的最大输出电流限制。
如果负载电流较大，或者负 载需要较高的电压驱动，那 么可以采用继电器进行弱电 →强电转换（如图4）该电 路经继电器后输出电流可较 大。但其调试复杂，且电路 的可靠性也由于采用的元器 件增多而有所下降。
(0.6 ~ 0.8) Voc SE
当RL≤Ropt时，并忽略光电池结电流，负载电流近似等于恒
定短路电流。
当RL>Ropt时，光电池结电流按指数增加,负载电流近似于指
数形式减小。
三、实验内容
1. 测定电池零负载下Ip和E的关系。
2. 测定光电池不同负载情况下特性数据。
四、实验仪表和器材
硅光电池、照度计、钨丝灯、调压变压器、直流 稳压电源、毫伏电压表、微安表、电阻和电位计 等。
管脉冲调制光源的构成与调试。
二、实验原理与电路
1. 实验原理
光电控制系统一般由发光部分、接收部分和信号处 理部分组成。
本实验采用振荡电路产生的方波信号对红外发光管 进行调制，使之输出光脉冲信号，然后由光电三极 管接收，放大还原为电信号。
方波脉冲发生器使用555时基集成电路；光电接收 电路采用光电三极管组成的放大电路，本实验采用 3DU11型。
⑤ 等效噪声带宽
基波噪声带宽： f N 1
1 2R0C0
1 2T
总等效噪声带宽：f N 1
2
8
f N 1
2
16T
式中T为低通滤波器的时间常数。
三、相关器框图
相关器实验插件盒的相关器电原理框图如图5所示。由加法 器、交流放大器、开关式乘法器（PSD）、低通滤波器、直 流放大器、参考通道方波形成与驱动电路组成。
三、实验装置
实验装置如图3。
测试室
倍增管
光源室 白炽灯
检流计 倍增管电源
图3 测试原理图
白炽灯电源
本实验选用GB787-74型光电倍增管，其管 脚和名称见下图。
实验四 光电控制电路设计与装调
一、实验目的
1. 了解光电三极管和红外发光管的性能、参数 及应用。
2. 学会拟定、分析光电系统。 3. 掌握光电三极管接收及放大电路，红外发光
1. 了解光电倍增管的基本特性。 2. 学习光电倍增管基本参数的测量方法。 3. 学会正确使用光电倍增管。
二、实验原理
1. 工作原理
光电倍增管是由半透明的光电发射阴极、倍增极和阳 极所组成的，由图1所示。
a) 侧窗式
b) 端窗式
c) 原理示意图
图1 光电倍增管外形与结果原理示意图
当入射光子照射到半透明的光电阴极K上时，将发射出光 电子，被第一倍增极D1与阴极K之间的电场所聚焦并加速 后与倍增极D2碰撞，一个光电子从D1撞击出3个以上的新电 子，这种新电子叫做二次电子。这些二次电子又被D1～D2 之间的电场所加速，打到第二个倍增极D2上。并从D2上撞 击出更多的新的二次电子。如此继续下去，使电子流迅速 倍增。最后被阳极A收集。收集的阳极电子流比阴极发射 的电子流一般大105～104倍。这就是真空光电倍增管的电 子内倍增原理。
1
3
5
7
9
11
f⁄fR
图3 Vo ～f/fR响应曲线
④ 如果输入信号为一恒定和参考方波频率相同的
方波信号，则相关器为相敏检波器，输出的直
流电压和信号与参考信号两者的相位差成线性
关系。
V0
如图4所示， 可以作鉴相 器使用。
-180° -90°
+1
90° 180° φ
-1
图4 相关器输入为与参考信号同频的 方波时它的输出直流电压与两者 的相位差成线性关系
I
A
图1 光电池工作原理图
2. I为通过负载的外电流：
I
I
ID
I
I
sc
(ev
/
v
T
1)
其中ISC为光电流反向饱和电流。当
VT
KT q
为温度电压当量
时，负载RL上的电压V=IRL 给光电池正向偏压。
① 当零负载时（RL=0），（1）式外电流为短路电流：
Isc I p SE
S为光电流灵敏度，短路电流ISC和照度E成正比。
2. 供电分压器和输出电路
光电倍增管的极间电压的分配一般是由图2所示的串联 电阻分压器执行。
最佳的极间电压分配取决于三个因素：阳极峰值电流、 允许的电压波动以及允许的非线性偏离。
K
A
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8
11
IK
IA
12 3 4 5 6 7 8 9
-HV
10
图2 光电倍增管供电电路
五、实验线路装置
光电池负载实验线路装置如图2所示。
照度计 调压变压器
RL
A R3
R5
R6
C
100Ω
mv
G1
I2 R4 I1 100Ω
B
图2 光电池负载实验装置
μA
VE
G
光电池受光照后，产生光电流I2。在A、B两点的毫 伏电压会产生偏转。调节稳压电源VE后，产生补偿 电流I1，I1和光电流I2方向相反。调节电位计R5（粗 调）和R6（细调）使补偿电流I1与光电流I2相减，并
三、实验内容
1. 组装脉冲发生器电路，并进行调试，先取C1=10μF。
此时
f
1.43
2Hz
2.2 51103 10106
此频率可由接收部分发光二极管直观地显示出来，便 于调试。
2. 组装光接收电路，将光脉冲转换为电脉冲。
3. 联调
实验五 相关器的研究及其主要
参数测量
－、目的要求
1. 了解相关器的原理。 2. 测量相关器的输出特性。 3. 测量相关器的抑制干扰能力与抑制白噪声能力。 4. 测量相敏检波特性。