光电探测器_偏置电路_课件PPT

i ph e Ad N 其中：交变光电流 e 动态电导 gd I 0 exp(eVD / kT ) kT
iD
iph
gd
Gsh
vD

连接前放的交流等效电路
iph
gd
Gsh
GL
gi
v ph i ph /( g d Gsh GL gi )
三.PV器件静态工作状态的设计

随时间缓慢变化的光信号其频谱分布处于低频段，通常 延伸到零频。相应的探测电路多采用直流探测型或调制
第四章 光电信号处理
4.1光辐射探测过程的噪声 4.2光电探测器的偏置电路 4.3光电探测器的放大电路 4.4微弱信号检测 4.5锁定放大器 4.6取样积分器 4.7光子计数器
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。
I
在输入光通量的变化范围 Φmin—Φmax为已知条件 I max 下 ， 用 解析 法 计 算输 入 I I min 电 路 的 工作 状 态 可按 下 列步骤进行。
1）确定线性工作区域
1
Байду номын сангаас
max
M
H
tg G
tg 1 V0 V Vmax Gb Vb tg G0
1
min
0
光电池 （不加偏置 ）
4.2.1 光电导探测器的偏置 一、基本偏置电路分析
VB Rl A Rs VB
RS:光敏电阻；RL：偏置电阻
偏置电流：
VB Il 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：
VB dRs is dI l ( Rl Rs )2

例：化学沉淀PbS最大功耗Pm为0.2瓦每平方厘米, 使用时要低于比值，取0.1瓦每平方厘米推导最 大功耗Pm与VB的关系：
VB Il RS Rl VB 2 RS Pm I l 2 RS ( RS Rl ) 2
VB max
Pm 0.1Ad ( RS Rl ) ( RS Rl ) RS RS
输出点A的直流电压： 信号电压为：
VB Rs VA ( Rl Rs )
VB Rl dRs Vs ( Rl Rs ) 2
VB dRs VB Rs dRs Vs dV0 dVA Rl Rs ( Rl Rs ) 2
分析： a)VS与VB的关系 VB↑→VS↑ 但太大,功耗Pm↑——损坏器件
令上式=0 VB Rs R R 时，有极大值：VS max 则 4 Rl
s l
这时叫功率匹配, 信号电压最大。
c) 最佳偏置条件的确定
VB Rl dRs Vs ( Rl Rs ) 2
在偏置电流Il一定条件下,由上式可知： Rl↑→Vs↑。 但实际上当负载电阻RL↑时,为保持固定的Il,应 该VB↑
I p 光电流
Id
：与温度有关的二极管结电流
光电池等效电路
开路电压
短路电流
Voc
Ip KT ln( 1) q Id
GbVb S max V0 G G0
GbVb S min G G0
I
4）计算输出电流幅度
由图可知：
max min V Gb
I max
I
max
M
I min
tg 1G
H
min
S V Gb 1 G / Gb
VB Rs VA VB Rl Rs
• 流过探测器上的偏流不恒定,随Rs变化。
Ubb Rb Uw C VDw Rs Rc Vo
3）恒功率偏置（匹配偏置） 此时，RL=Rs，探测器上的偏置功率：
VB 2 VB 2 PRs ( ) Rs Rl Rs 4 Rs
•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。
解：依题画出如下简图
(1)为保证2DU工作于线性区且Rb 最大， 过拐点作负载线，则:
Rb max
Vb
2DU
Rb
Vb VM Vb VM 15 10 125K 6 Ip 2 0.4 100 10
I
(2)输出电压 :
M
2
1 2 10
V0
VM
其中Vmax和V0可由图中M和H 点的电流值计算得到。 由H点： 由M点：
I min
tg G
1
H
0
tg Vmax Gb Vb
1
V tg 1G0 0
V
V
Gb (Vb Vmax ) GVmax S min
Gb (Vb V0 ) GV0 S max
Vmax
S ( max min ) S V Vmax V0 G G0 G G0 上式表明输出电压幅度与ΔΦ 、S成正比，与结间漏电导G 和G0成反比。

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

探测器的伏安特性分三种类型：
恒流型
I Φ1 Φ2 Φ3 V
可变电阻型
I Φ1 Φ2 Φ3 V
光生电势型
I Φ1 Φ2 Φ3 V
PC器件 电阻型热探测器
（加偏置，不分正负）
PV器件，PMT （加反向偏置）
I
功耗限制
0
0
0
Vb3 Vb 2

Vb1
V
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。
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100μ W,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10μ W时，输出电压的 变化量。
V Vb
Vo I p Rb max Rb max 0.4 10 106 125 103 0.5V
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.初始电导G0：相当于非线性部分直线的初始斜率。 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
二、光电导探测器三种特殊偏置方式及其 特点分析
1.三种常用的偏置方式 1）恒流偏置
VB Rl A Rs VB
当选定RL>>Rs ，则
VB VB Il Rl Rs Rl
与Rs无关。
即在工作过程中流过探测器的电流是一恒定电流。
Ubb Rb Uw C VDw Re Rs Vo
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。
2.三种偏置情况的比较
Rd Vs ~ Ens EnL En RL In ri
无噪声

从可以获得的响应度来考虑，则恒流偏置优于匹配偏置，匹 配偏置又优于恒压偏置。

由于恒流偏置通常需要较高的偏置电压源，在实用中可以采
取匹配偏置而获得与恒流偏置相当的响应度。
2.三种偏置情况的比较
Rd Vs ~ Ens EnL En RL In ri
线和由Φmax对应的伏安曲线的 I min 交点不能低于M点。 G0V0=Gb(Vb-V0) • 设负载线拐点M点，由图可得
1
H
tg G
tg 1 V0 V Vmax Gb Vb tg G0
1
0
V
V0 s max Gb G0 Vb V0 V (1 G ) s max b G0 G0
无噪声
从放大器输出的信噪比考虑，在以上三种偏置状态的偏置电流 相等的情况下：

当探侧器与放大器系统的噪声以探测器的非热噪声为主时， 输出的S/N与偏置状态无关； 当系统以探测器的热噪声为主时，恒流偏置可以获得的S/N

最大，匹配偏置次之，恒压偏置最小。
4.2.2 光伏探测器的偏置
一、PV器件静态工作点的确定 二、光伏探测器的等效电路 三、PV器件静态工作状态的设计
Ad: 探测器光敏面积,平方厘米， RL，RS为电阻单位， VBmax为V单位
b）VS与RL的关系
VB Rl dRs VB Rl Rs Vs 2 ( Rl Rs ) ( Rl Rs ) 2
VB Rs ( Rl Rs ) 2VB Rl Rs (Vs ) l R ( Rl Rs )3 VB Rs ( Rl Rs 2 Rl ) VB Rs ( Rs Rl ) 3 ( Rl Rs ) ( Rl Rs )3

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）
ID ID1 ID2 Iph Iph ID1 ID ID2 Gsh VD

光电流 结电流
漏电流
I ph e Ad N

I d 1 I 0 [exp(eVD / kT ) 1] I d 2 GshVD
当Vb已知时，则 ：
1 Vb (1 G / G0 ) 1 Rb Gb smax G0
当Rb已知时，有
smax (Gb G0 ) Vb Gb (G0 G )
3）计算输出电压幅度
由图可知：在ΔΦ时，
I max
I
I
M
max
min
V Vmax Vo
V
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 即
G0V0 GV0 smax
smax V0 G0 G
smax G0 G V0
2）计算偏置电阻Rb、偏压Vb。
为保证最大线性输出条件，负载
I max
I
I
M
max
min
VB
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
VD A + ID C RL ri
VB

直流负载线方程：
VD VB I D RL

交流 负载线方程：
I D 1 VD RL
RL R // ri
二、光伏探测器的等效电路
1.直流等效电路

由于串联回路中流过多元件的电流相等，负载线和它 的伏安特性曲线的交点Q即为输入电路的静态工作点。

当输入光通量由Φ0作±ΔΦ改变时，在负载电阻上会产
生±ΔV电压输出和±ΔIQ的电流信号输出。

利用图解法可定性的求出电路参数RL和Vb对输 出信号的影响。
M
• 由图可知:随Rb增大，信号电压变大，超过M点 产生畸变 。
•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
四、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
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。

VD
A + ID C RL ri
探测型。

对于直流探测型的输入电路，主要的设计工作是电路静
态工作点的计算。
（一）反偏下光电二极管的偏置电路分析与计算 1.图解计算法 基本电路
PD Vb
Rb
V
TN线的确定：当I＝0时，V=Vb（N点）； Vb V=0（T点） I
Rb
•连接NT，称为负载线，因为它与电压轴的夹角决 定了负载电阻RL 。
0
tg 1 V0 V Vmax Gb Vb tg G0
1
V
通常Gb >>G，上式简化为Δ I=SΔ Φ
5）计算输出功率
S 2 P I V Gb V Gb ( ) G Gb
2
（二）光生电势型探测电路的静态计算
电流－电压特性方程
Ip
Id I
C
V
qV I I p I d (exp 1) KT


流过探测器的电流
I D e Ad N I 0 [exp(eVD / kT ) 1] GshVD
2.交流等效电路

光子流速率微变引起的电流变化： e I D e Ad N I 0 exp(eVD / kT )VD Gsh VD kT iD i ph ( g d Gsh )vD