光电探测器_偏置电路_课件PPT

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《光电导探测器》课件

《光电导探测器》课件
详细描述
光电导探测器在光通信领域中用于光信号的接收和检测,在光谱分析中用于光 谱仪的光电转换,在环境监测中用于气体和液体的成分分析和浓度测量,在生 物医学中用于医疗诊断和生物分子检测等。
02
CHAPTER
光电导探测器的基本结构
半导体材料
光电导探测器的核心是半导体材料,它们能够吸收光子并产生电子-空穴对。常见的 半导体材料包括硅、锗、硫化铅等。
这些半导体材料具有直接带隙结构,使得它们能够有效地吸收特定波长的光子,产 生光生载流子。
半导体材料的性能决定了光电导探测器的响应速度、光谱响应范围和暗电流等关键 参数。
光敏元件
光敏元件是光电导探测器的核心部分 ,它负责吸收光子并转换为电信号。
光敏元件的形状和尺寸对探测器的性 能有重要影响,例如响应速度、光谱 响应范围和探测率等。
未来发展方向与挑战
交叉学科融合
光电导探测器的发展需要与物理、化学、生物等 多学科交叉融合,开拓新的应用领域。
环境适应性
提高光电导探测器的环境适应性,使其能够在恶 劣环境下稳定工作。
降低成本
通过优化工艺和材料,降低光电导探测器的制造 成本,促进其在民用领域的应用。
THANKS
谢谢
光谱响应
描述光电导探测器在不同波长光下的 响应特性,是决定探测器应用范围的 重要参数。
响应时间与恢复时间
响应时间
光电导探测器从接收到光信号到产生可观测电信号的时间间隔,反映了探测器的反应速 度。
恢复时间
探测器在持续光照下,从最大响应状态回到初始状态所需的时间,影响连续测量时的性 能。
温度稳定性与可靠性
03
CHAPTER
光电导探测器的性能参数
响应度与探测率

华中科技大学《光电探测》5.4伏探测器的偏置电路

华中科技大学《光电探测》5.4伏探测器的偏置电路
4.4 光伏探测器的偏置电路
偏置电路: --为使器件正常工作,提供合适的电流或者电压
例如:
Rb
Rc
+UCC
T
--偏置电压 --偏置电阻
意义: 1. 提高探测灵敏度 2. 提高频率响应 3. 降低噪声
4.4 光伏探测器的偏置电路
反向偏置电路 零伏偏置电路 自偏置电路
4.4.1自偏置电路
I0 E=0
2.反偏光电二极管的跨阻抗放大电路 电路特点:
与基本反向偏置电路相比: --具有极小的负载电阻(ri)
--不易出现信号失真 --又能输出较大的电压信号
4.4.3反向偏置电路
2.反偏光电二极管的跨阻抗放大电路 电路特点:
与零伏偏置电路相比:
--具有较高的反向工作偏压(Ub) --光电二极管结电容较小 ,响应速度快 --有较大线性响应动态范围
U(I)为光电二极管的端电压 Ub为偏置电压
电路图:
负载电阻上的输出信号:
1.基本反向偏置电路
选择负载电阻RL和偏置电压Ub :
负载电阻的影响
偏置电压的影响
1.基本反向偏置电路
选择负载电阻RL和偏置电压Ub :
方法:
--标出拐点M
RL
Ub
UM IM
--功耗限制
RL
U
2 b
/
Pmax
--图解分析方法
温度范围(-40°C~ 70°C)内自动稳定偏压
例:光电二极管测缓变辐射通量。已知其电 流灵敏度为0.4μA/μW,在测光范围中最 大辐射通量100μW,此时伏安特性曲线的 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

第十二章光电探测器 PPT

第十二章光电探测器 PPT

计量起伏噪声(以起伏噪声电压 n为(t)例,噪声电流 i类n (似t) )
n (t) 0噪声电压平均值得瞬间振幅与相位随时间呈无规则变化
___
n2 均方值完全确定,表示单位电阻上所消耗得噪声平均功率
___
n2 —计量噪声电压大小
___
n2 —起伏噪声电压有效值
____记__为_____V_ n2
光电导探测器
利用光电导效应可以制成各种用途得光电元件,如光敏电阻(光 电导探测器)、光电管等。其中光敏电阻具有体积小、坚固耐用、 价格低廉、光谱响应范围宽等优点,广泛用于微弱辐射信号得探 测领域。
#
光电导探测器
光电导效应
本征半导体:
光电导增量
e(nn pp )
n和p
分别就是电子与空穴得迁移率
i
生得具有电量为e得光电子数量
量子效率
Ip / e
单位时间内光子所激励得光电子数
Pi /h
单位时间内入射到探测器表面得光子数
代表入射到探测器得单个光子所能产生得光电子数目
#
光电探测器得性能参数
时间常数
探测器得惰性:
当入射光功率发生突然变化时(如开始或停止照射),光电探测器
得输出总不能完全跟随输入而变化。通常用时间常数 来衡 量
在阶跃输入光功率条件下,光电探测器输出电流 为
is
当is
(t
)
i
[1
exp(t 时,(稳态值
/
)]
)
称is (为t)参数
频率响应
——探测器得响应度随入射光调制频率得变化特征 多数探测器得响应度与调制频率得关系为
(f )
0
1
(1+4 2f 2 2 ) 2

《光电探测器》PPT课件

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t 响应速度受三个因素的限制:载流子的扩散时间
t ,耗尽层中漂移时间 diff
dr
和耗尽层电容C与负载电阻R之乘积所决定的RC时间常数。
2021/4/24
28
8.3光敏二极管
6、光敏二极管的一般特性 c、噪声特性 噪声源:热噪声、散粒噪声 热噪声-主要负载; 散粒噪声-信号光电流,背景光电流,反向饱和电流
2021/4/24
8
8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
特点:
•光谱响应范围宽(特别是对于红光和红外辐射); •偏置电压低,工作电流大; •动态范围宽,既可测强光,也可测弱光; •光电导增益大,灵敏度高; •无极性,使用方便; •在强光照射下,光电线性度较差 •光电驰豫时间较长,频率特性较差。
2021/4/24
本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时,光 子把价带中的电子激发到导带,出现自由电子和自由空穴时,从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光 =
hc
1240
Eg
1240
Eg
引入长波限λ0,若波长长于λ0, 即无本征吸收
2021/4/24
11
8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
2021/4/24
16
8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 能够产生光致导电的光主要是波长接近光谱响应峰值的光,这种
光能把电子直接由价带激发导导带。但是,实际上,光把光电导体
中的杂质和晶格缺陷所形成的能级中的电子激发到导带的情况是很
多的,而这些能级与导带间的宽度比禁带宽度要窄的多。这就意味
着,光电导体对波长长于峰值波长的光也具有响应灵敏度,而且,

光 电 探 测 器ppt课件

光 电 探 测 器ppt课件
*
PIN 光电二极管
(1)结构与工作原理: 为改善PN结耗尽层只有几 微米,长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大,大部 分入射光被中性区吸收, 使光电转换效率低,响应 时间长,响应速度慢的特 性,在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 (称为I),这种结构便是 PIN光电二极管。
P+
I
N+
耗尽层
c
hc Eg
• 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 α (λ)
0.2 0 0.7 0.9 1.1
10%
1.3
1.5
1.7
PIN响应度、量子效率 与波长的关系
3. 响应时间及频率特性
当光电二极管具有单一的时间常数 前沿和脉冲后沿相同,且接近函数 exp(t / 0 ) 和 exp(t /0 ) , 由此得到脉冲响应时间为 2 . 2 r f 0
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 P+和N+掺杂浓度很高 Ⅱ(N) 。 且I层很厚,约有 N 5~5 0μm,吸收系数 电极 很小,入射光很容易进 PIN光电二极管结构 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+层和N+层很薄,吸 了光电转换效率,两侧
0
时,其脉冲
具有一定时间常数的光电二极管,对于幅度一定 ,频率为 f c 的正弦调制信号,截止频率 2 f 1 0.35
fc
20

r
谢谢!
响应度分为电压响应度和电流响应度
• 电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比 • 电流响应度RI

光电探测器的偏置电路PPT课件

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光电探测与信号处理
第四章 光电信号处理
1
整体概况
概况一
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01
概况二
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02
概况三
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03
第四章 光电信号处理
教学内容
4.1 光电探测器的偏置电路
4.1.1 探测器伏安特性回顾及基本概念 4.1.2 可变电阻型探测器的偏置和设计 4.1.3 恒流源型探测器的偏置和设计 4.1.4 光生电势型探测器的偏置和设计
4.2 光电探测器的放大电路
4.2.1 放大器的噪声模型 4.2.2 放大器的外部电路设计 4.2.3 多级放大器的噪声影响
4.3 微弱信号检测
4.3.0 概述 4.3.1 信噪比改善(SNIR) 4.3.2 相关检测原理 4.3.3 锁定放大器 4.3.4 取样积分器
课内学时 课外学时
8h
8h
3
4.1 光电探测器的偏置电路
VIRLV(B RdRd2SRgL )2RL
电路参数确定后,输出信号变化与入射辐射量的变化成线性关系20 。
二、基本偏置的动态设计
设入射于光敏电阻的辐射为调制辐射正弦,
(t) 0 msi n t
V
Cd
ip ~ Rd
RL
VL
基本偏置电路
等效微变电路
21
输出的交流部分电流
ip(t)SgV 0 msi n t
Rb
RL
Vb
Vb IRb V I(VbV)/Rb
25
(2)确定静态工作点
负载线和静态工作时所对 应的伏安特性曲线的交点 Q即为输入电路的静态工 作点。
负载线的确定:
I(VbV)/Rb

最新常用光电探测器PPT课件

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V
Pmax Rg
RL Rg
光敏电阻
时间响应特性
光敏电阻受光照后或被遮光后,回路电流并不立即增 大或减小,而是有一响应时间。响应时间常数是由电流上 升时间和衰减时间表示。
光敏电阻的响应时间与入射光的照度,所加电压、负 载电阻及照度变化前电阻所经历的时间(称为前历时间) 等因素有关。
光敏电阻
稳定特性
P3
- V
+
u2 RL1
u1 o i1
RL2
i2
i
RL1
RL2 RL
i
▪ 第三象限是反偏压状态。这时iD=iS0,是普通二极管中的反向饱和电流,
称为暗电流(对应于光功率P=0),数值很小,这时的光电流(等于i-iS0)是 流过探测器的主要电流,对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的
光伏探测器称为光电二极管,因为它的外回路特性与光电导探测器十分
几种国产硅光电池的特性
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
短路电流和开路电压
短路电流——RL=0 开路电压——RL=∞
光电池等效电路
Cj:结电容 ish:pn结漏电流,很小 Rsh:等效泄露电阻,很大 Rs:引出电极-管芯接触电阻
HgxCd1-xTe探测器:化合物本征型光电导探测器,由 HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体,其禁带宽度 随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为8~14μm, 工作温度77K,用液氮致冷;内电流增益约为500,低 内阻,广泛用于10.6μm的CO2激光探测。
光敏电阻

光伏探测器详解ppt课件

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编辑版pppt
14
四、光伏探测器的性能参数
1、响应率 2、噪声 3、比探测率 4、光谱特性 5、频率响应及响应时间 6、温度特性
编辑版pppt
15
1、响应率
由此可知,光伏探测器的响应率与器件的工作温度 及少数载流子浓度和扩散有 关,而与器件的外偏压无关,这是与光电导探测器的不相同的。
编辑版pppt
编辑版pppt
28
3.光电三极管
利用雪崩倍增效应可获得具有增益的半导体光电二极管(APD),而采用一 般晶体管放大原理,可得到另一种具有电流内增益的光伏探测器,即光电三 极管。它与普通的双极晶体管十分相似,都是有两个十分靠近的P-N结—发 射结和集电结构成,并均具有电流放大作用。为了充分吸收光子,光电三极 管则需要一个较大的受光面,所以,它的响应频率远低于光电二极管。
第四象限:零偏压光伏工作模式。
编辑版pppt
9
有光照时,若PN结外电路接上负载电阻 ,如图所示,
在PN结内将出现两种方向相反的电流:一种是光激 发产生的电子-空穴对形成的光生电流 ,它与光照有关, 其方向与PN结方向饱和电流 相同;另一种是光生电流 流过负载电阻 产生电压降,相当于在PN结施加正向 偏置电压,从而产生正向电流 ,总电流 是两者之差, 编辑即版pp流pt 过负载的总电流为: 10
在p-n结施加正向偏置电压,从而产生电 流ID。
流过负载的总电流是两者之差:
编辑版pppt
5
(2)反向偏置的光电导工作模式 无光照时电阻很大,电流很小;有光照时,电阻
变小,电流变大,而且流过它的光电流随照度变 化而变化。类似光电导器件。
编辑版pppt
6
(3)正向偏置的工作模式 呈单向导电性,和普通二极管一样,光电 效应无法体现。

光电探测器PPT课件

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.
6
3.电子光学系统
电子光学系统是适当设计的电极结构,使前一级发射出来
的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上,也就是使下一 级的收集率接近于1;并使前一级各部分发射出来的电子,落 到后一级上所经历的时间尽可能相同,即渡越时间零散最小。
.
7
4.倍增系统
倍增系统是由许多倍增极组成的综合体,每个倍增极都是
倍增极材料大致可分以下四类:
1)含碱复杂面主要是银氧铯和锑铯两种,它们既是灵敏的光 电发射体,也是良好的二次电子发射体。
2)氧化物型,主要是氧化镁。 3)合金型,主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。 4)负电子亲合工作电压不致于过高;热发射小,以便整管的暗电流和噪声小
测试阴极灵敏度时,以阴极为一极,其它倍增极和阳极都 连到一起为另一极,相对于阴极加100~300V直流电压,照射 到光电阴极上的光通量约为10-2~10-5lm。
测试阳极灵敏度时,各倍增极和阳极都加上适当电压,因 为阳极灵敏度是整管参量,与整管所加电压有关,所以必须注 明整管所加电压。
积分灵敏度与测试光源的色温有关,一般用色温为2856K 的白炽钨丝灯(A光源)。(色温:辐射源发射光的颜色与黑体 在某一温度下辐射光的颜色相同,则黑体的这一温度称为该辐 射源的色温。)色温不同时即使测试光源的波长范围相同,各单 色光在光谱分布中的组分不同时. ,所得的积分灵敏度也不同。14
侧窗式
端窗式
.
4
1.光窗
光窗分侧窗式和端窗式两种,它是入射光的通道。一般常 用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和 氟镁玻璃等。由于光窗对光的吸收与波长有关,波长越短吸收 越多,所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。
.
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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


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
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
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↑
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
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。
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。
•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
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
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
I d (exp 1) KT
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
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

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)
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
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。
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
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
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
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 。
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。
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
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
max
M
H
tg G
tg 1 V0 V Vmax Gb Vb tg G0
1
min
0
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