光电信号检测电路设计(课堂PPT)
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如何确定负载电阻的临界值？
IS U IR T LI0[12 1 !(U IR T L)3 1 !(U IR T L)2 L]
当 I R L <=< 1 时，有
类型
恒流源型光电检测电路的静态计算 光伏型光电检测电路的静态计算 可变电阻型光电检测电路的静态计算
.
4
恒流源型器件光电信号输入电路
恒流源特性：输出电流随器件端电压增大而变化不大。
相应器件：光电管、光电倍增管、工作在反向 偏置电压状态下的光电二极管、光电三极管。 恒流源型光电检测器件的伏安特性
第7章 光电信号检测电路
7.1光电检测电路的设计要求 7.2光电信号输入电路的静态计算 7.3光电信号检测电路的动态计算 7.4光电信号检测电路的噪声 7.5前置放大器
7.6光电检测电路举例
.
1
概述
光电检测电路组成
检测对象 光源
(成像系统) 光信号
光电器件 输入电路 前置放大器
对检测电路的要求
灵敏的光电转换能力 快速的动态响应能力 最佳的信号检测能力 长期工作的稳定性和可
靠性
检测电路设计步骤
电路静态计算 电路动态计算 噪声估算 放大电路设计
.
2
7.1 缓变光信号检测电路设计
缓变信号
直流电路检测
设计重点：静态计算（确定电路的静态工 作状态）
计算方法：图解法、分段线性化解析法
.
5
1、图解计算法
包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的 输入电路进行计算：
U(I)UbIRL
Q点为输入电路的静态工作点；当输入光通量改变
时，在负载电阻上会产生变化的电压信号输出。
.
6
图解法特别适用于大信号状态下 的电路分析。例如在大信号检测 情况下可以定性地看出输出信号 的波形畸变。在用作光电开关的 情况下，可以借助图解法合理地 选择电路参数使之能可靠地动作， 同时保证不使器件超过其最大工 作电流、最大工作电压和最大耗 散功率。
.
7
（a），减小负载（斜率增大），使输出信号电流增大而电压减小。负载的减 小受到最大工作电流和功耗的限制；过大的负载，使负载线越过转折点M进 入非线性区，使信号失真。
（b），增大偏置电压使输出信号电压幅度增大，改善线性度，但功耗随之
增大，且可能使光电二极管反向击穿。 .
8
2、解析计算法 分段折线化伏安特性
.
15
（4）计算输出电流幅度
IIm axIm inG L U
IGLUS1G/GL（负载减小，输出电流幅值增大）
通常GL>>G
I S
.
16
（5）计算输出电功率 由功率关系P=U I，得
PGLU2GL(G S GL)2
.
17
光伏型器件光电信号输入电路
伏安特性：一组以入射光功率为参量的曲 线簇，分布在伏安坐标系的第四象限。
转折电压U0---对应于曲线转折点M处的电压值 初始电导G0---非线性区近似直线的初始斜率 结间漏电导G---线性区各平行直线的平均斜率 光电灵敏度S---单位输入光功率所引起的光电流值
.
9
设输入光功率为P，对应的光电流为Ip，则
S Ip /P
线性区内伏安特性可表示为
I f(U , ) Id Ip G U S
I Ip I0 (e IR L /U T 1 )|R L 0 Is c S I S
.
24
.
25
（2）空载电压输出
区域Ⅳ，是一种非线性电压变换状态。此时 光电池通过高输入阻抗变换器与后续放大电 路连接，相当于输出开路。
U ocK q Tln(II0 p1)U TlnII0 pU TlnS I 0
工作点附近的微小光通量变化？P262（7-4）
.
10
在输入光通量变化范围有限已知的条件下，解 析法的计算步骤如下：
（1）确定线性工作区
由对应最大输入光通量Φmax的伏安特性弯曲处即可 确定转折点M。再确定相应的转折电压U0和初始电 导值G0。
G 0U 0G U 0Sm ax
U0
Smax
G0 G
.
21
②根据图解法确定静态工作点Q
.
22
3、根据负载电阻分析光电池工作状态：
负载较小情况下，光通量较低时，光通量与负载上电流、电压近似线性。
.
23
（1）短路或线性电流放大
区域Ⅰ
后续电流放大级作为负载，从光电池中吸取最 大的输出电流，要求负载电阻或者后续放大电 路的输入阻抗尽可能小（输出电流近似短路电 流，大且线性好，噪声电流低，信噪比高，实 用弱信号检测）。
G0
G
Smax
U0
.Leabharlann Baidu
11
G 0U 0G U 0Sm ax
.
12
（2）计算负载电阻和偏置电压
为保证最大线性输出条件，负载线和Φmax对应的伏安曲 线的交点不能低于转折点M。设负载线通过M点，则
(U bU 0)G LG 0U 0
Ub已知，得GL：GLG0UbU 0U0 Ub(1S G G 0)m axS G0 max
GL（RL） 已知，可得偏置电源电压Ub：
Ub
Smax(GL G0) GL(G0 G)
.
13
(U bU 0)G LG 0U 0 H点：G L ( U b U m a x ) G U m a x S m in M点：G L (U b U 0 ) G U 0 S m a x
.
14
（3）计算输出电压幅度
光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压幅度为U=Umax-U0
计算过程：
H点 M点
G L ( U b U m a x ) G U m a x S m in G L (U b U 0 ) G U 0 S m a x
联立求解两式，得
US m ax m inS （负载减小，输出电压幅值减小） GG L GG L
器件的端电压和电流的方向相反，对外电 路形成电势，可对负载供电。
包括光电池和工作在光电池状态的光电二 极管。
.
18
.
19
1、光伏型器件输入电路的形式
主要有以下3种形式：
.
20
2、无偏置输入电路的静态计算
①根据等效电路建立回路方程
U IRL
I Ip I0(eU/UT 1) Ip I0(eIRL/UT 1)
开路电压最大值受势垒高度限制， 通常为0.45—0.6V。
较小的光通量可引起电压输出较大，对弱光检测有利， 尽管线性不好，可用作开关元件
.
26
（3）线性电压输出
区域Ⅱ
在串联的负载电阻上能得到与输入光通量近 似成正比的信号电压。负载电阻增大有助于 提高输出电压，但增大到一定临界值时，输 出信号将发生非线性畸变。
IS U IR T LI0[12 1 !(U IR T L)3 1 !(U IR T L)2 L]
当 I R L <=< 1 时，有
类型
恒流源型光电检测电路的静态计算 光伏型光电检测电路的静态计算 可变电阻型光电检测电路的静态计算
.
4
恒流源型器件光电信号输入电路
恒流源特性：输出电流随器件端电压增大而变化不大。
相应器件：光电管、光电倍增管、工作在反向 偏置电压状态下的光电二极管、光电三极管。 恒流源型光电检测器件的伏安特性
第7章 光电信号检测电路
7.1光电检测电路的设计要求 7.2光电信号输入电路的静态计算 7.3光电信号检测电路的动态计算 7.4光电信号检测电路的噪声 7.5前置放大器
7.6光电检测电路举例
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1
概述
光电检测电路组成
检测对象 光源
(成像系统) 光信号
光电器件 输入电路 前置放大器
对检测电路的要求
灵敏的光电转换能力 快速的动态响应能力 最佳的信号检测能力 长期工作的稳定性和可
靠性
检测电路设计步骤
电路静态计算 电路动态计算 噪声估算 放大电路设计
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2
7.1 缓变光信号检测电路设计
缓变信号
直流电路检测
设计重点：静态计算（确定电路的静态工 作状态）
计算方法：图解法、分段线性化解析法
.
5
1、图解计算法
包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的 输入电路进行计算：
U(I)UbIRL
Q点为输入电路的静态工作点；当输入光通量改变
时，在负载电阻上会产生变化的电压信号输出。
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6
图解法特别适用于大信号状态下 的电路分析。例如在大信号检测 情况下可以定性地看出输出信号 的波形畸变。在用作光电开关的 情况下，可以借助图解法合理地 选择电路参数使之能可靠地动作， 同时保证不使器件超过其最大工 作电流、最大工作电压和最大耗 散功率。
.
7
（a），减小负载（斜率增大），使输出信号电流增大而电压减小。负载的减 小受到最大工作电流和功耗的限制；过大的负载，使负载线越过转折点M进 入非线性区，使信号失真。
（b），增大偏置电压使输出信号电压幅度增大，改善线性度，但功耗随之
增大，且可能使光电二极管反向击穿。 .
8
2、解析计算法 分段折线化伏安特性
.
15
（4）计算输出电流幅度
IIm axIm inG L U
IGLUS1G/GL（负载减小，输出电流幅值增大）
通常GL>>G
I S
.
16
（5）计算输出电功率 由功率关系P=U I，得
PGLU2GL(G S GL)2
.
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光伏型器件光电信号输入电路
伏安特性：一组以入射光功率为参量的曲 线簇，分布在伏安坐标系的第四象限。
转折电压U0---对应于曲线转折点M处的电压值 初始电导G0---非线性区近似直线的初始斜率 结间漏电导G---线性区各平行直线的平均斜率 光电灵敏度S---单位输入光功率所引起的光电流值
.
9
设输入光功率为P，对应的光电流为Ip，则
S Ip /P
线性区内伏安特性可表示为
I f(U , ) Id Ip G U S
I Ip I0 (e IR L /U T 1 )|R L 0 Is c S I S
.
24
.
25
（2）空载电压输出
区域Ⅳ，是一种非线性电压变换状态。此时 光电池通过高输入阻抗变换器与后续放大电 路连接，相当于输出开路。
U ocK q Tln(II0 p1)U TlnII0 pU TlnS I 0
工作点附近的微小光通量变化？P262（7-4）
.
10
在输入光通量变化范围有限已知的条件下，解 析法的计算步骤如下：
（1）确定线性工作区
由对应最大输入光通量Φmax的伏安特性弯曲处即可 确定转折点M。再确定相应的转折电压U0和初始电 导值G0。
G 0U 0G U 0Sm ax
U0
Smax
G0 G
.
21
②根据图解法确定静态工作点Q
.
22
3、根据负载电阻分析光电池工作状态：
负载较小情况下，光通量较低时，光通量与负载上电流、电压近似线性。
.
23
（1）短路或线性电流放大
区域Ⅰ
后续电流放大级作为负载，从光电池中吸取最 大的输出电流，要求负载电阻或者后续放大电 路的输入阻抗尽可能小（输出电流近似短路电 流，大且线性好，噪声电流低，信噪比高，实 用弱信号检测）。
G0
G
Smax
U0
.Leabharlann Baidu
11
G 0U 0G U 0Sm ax
.
12
（2）计算负载电阻和偏置电压
为保证最大线性输出条件，负载线和Φmax对应的伏安曲 线的交点不能低于转折点M。设负载线通过M点，则
(U bU 0)G LG 0U 0
Ub已知，得GL：GLG0UbU 0U0 Ub(1S G G 0)m axS G0 max
GL（RL） 已知，可得偏置电源电压Ub：
Ub
Smax(GL G0) GL(G0 G)
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(U bU 0)G LG 0U 0 H点：G L ( U b U m a x ) G U m a x S m in M点：G L (U b U 0 ) G U 0 S m a x
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14
（3）计算输出电压幅度
光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压幅度为U=Umax-U0
计算过程：
H点 M点
G L ( U b U m a x ) G U m a x S m in G L (U b U 0 ) G U 0 S m a x
联立求解两式，得
US m ax m inS （负载减小，输出电压幅值减小） GG L GG L
器件的端电压和电流的方向相反，对外电 路形成电势，可对负载供电。
包括光电池和工作在光电池状态的光电二 极管。
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18
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19
1、光伏型器件输入电路的形式
主要有以下3种形式：
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20
2、无偏置输入电路的静态计算
①根据等效电路建立回路方程
U IRL
I Ip I0(eU/UT 1) Ip I0(eIRL/UT 1)
开路电压最大值受势垒高度限制， 通常为0.45—0.6V。
较小的光通量可引起电压输出较大，对弱光检测有利， 尽管线性不好，可用作开关元件
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（3）线性电压输出
区域Ⅱ
在串联的负载电阻上能得到与输入光通量近 似成正比的信号电压。负载电阻增大有助于 提高输出电压，但增大到一定临界值时，输 出信号将发生非线性畸变。