光电信号检测电路设计

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
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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
Smax G0 G U0
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G0U0 GU0 Smax
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（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 (Ub U0 )GL G0U0
U0 S max U b U 0 U (1 G ) S max b G0 G0 GL（RL） 已知，可得偏置电源电压Ub： S max (GL G0 ) Ub GL (G0 G)
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（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。
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2、解析计算法
分段折线化伏安特性
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Ub已知，得GL： GL G0
(Ub U0 )GL G0U0
GL (Ub Umax ) GUmax Smin H点：
M点： GL (Ub U0 ) GU0 Smax
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（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
代表器件：光敏电阻、热敏电阻。 1、简单输入电路
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两种典型的工作状态： （1）恒流偏置 当负载电阻比光敏电阻大 R 很多时，即 RL >>
Ub IL RL
负载电流与光敏电阻阻值无关，近似保 持常数。此状态又叫做恒流偏置状态。
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（2）恒压偏置 负载电阻比光敏电阻小很多时，即
RL<< R
交流负载线

静态工作点Q的电流值 由直流负载线有 此外，阻抗匹配时，Q点电压
U Q U m0 U M S E Sm UM 2(Gb g )
直流负载线

I Q gUQ S E E0 I Q (U b U Q )Gb UQ GbU b S E E0 g Gb
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
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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 , ) I d I p GU S
I I p I0 (eIRL /UT 1) |RL 0 I sc S
I S
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（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。
Ip Ip KT S U oc ln( 1) UT ln UT ln q I0 I0 I0

检测电路设计步骤



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


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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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
工作点附近的微小光通量变化？P262（7-4）
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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。
G0U0 GU0 Smax
Smax U0 G0 G
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。
计算过程：
H点 M点
GL (Ub Umax ) GUmax Smin GL (Ub U0 ) GU0 Smax
联立求解两式，得
max min U S S G GL G GL
（负载减小，输出电压幅值减小）
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（4）计算输出电流幅度
I I max I min GL U
阻抗匹配下（最 大功率输出）的 峰值电压、功率、 S E Em 电流 U m0
2GL 0 P Lm ( S E Em ) 2 1 2 GL 0U m 0 8GL 0 2 1 S E Em 2
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2
L
最大功率输出 下的负载电阻
RL0 1 / GL0 Gb g
I m 0 2 PLm / U m 0
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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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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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 I p I 0 (eU /UT 1) I p I 0 (e IRL /UT 1)
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1．光电检测电路的高频特性


二、光电检测电路的频率特性

以反向偏置光电二极管交流检测电 路为例 微变等效电路图 电路方程，与二极管参数Cj和g有关
iL ig i j ib S E e ij iL iL ig g jC G G U L j L b


过Q点作直流负载线可以图解得到 偏置电阻Rb和电源Ub的值 计算负载RL上的输出电压、输出 电流和输出功率值 计算最大功率输出条件 1 P I
m
Um
Im GL Gb
I m S E Em gUm
S E Em Gb GL g S E Em 1 G Um L [ ]2 2 Gb GL g 2 Um


M是交流负载线与最大输入光照 度e＝E0＋Em对应的光电池曲线 的交点

对于GL＝Gb＝GL0的最大功率输出 条件下输出电压、功率和电流有 类似的形式 偏置电阻 Rb0＝RL0＝2UM/SE(2E0+Em)
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二、光电检测电路的频率特性


频率特性反映检测系统的动态响应能力 分析法：时域法、频域法 与光电器件本身特性、检测电路形式、阻 容参数有关 频谱分析以傅里叶变换为基础 描述频率特性的参数：通频带Δ F， Δ F 越大，信号通过能力越强
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②根据图解法确定静态工作点Q
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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。
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（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）。
UO 0
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有外来辐照时，引起电阻温升，有
RT 1 R01 R RT 1 为热敏电阻 R01 为暗电阻
电桥平衡破坏，输出电压为
U b R2 R U0 ( R01 R1 R)( RT 2 R2 )
此式可进一步简化。
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7.2、光电信号检测电路的动态计算



很多场合下,光信号是随时间变化的，例如瞬变信号或各 种形式的调制光信号 交变光信号的特点是信号中包含着丰富的频率分量;当信 号微弱时，需要多级放大 与缓慢变化光信号检测电路的静态计算不同，在分析和 设计交变光信号检测电路时，需要解决下述两项动态计 算问题 1）避免非线性失真:确定动态工作状态，使在交变光信 号作用下负载上能获得不失真的、线性电信号输出。 2）避免线性失真（频率不失真，包括幅频和相频）:使 检测电路具有足够宽的频率响应，以能对复杂的瞬变光 信号或周期性光信号进行无频率失真的变换和传输。

比较可得：阻抗匹配即对应最 大输出功率下的直流偏置电导
Gb 0 S E ( Em 2 E0 ) 2 gUM UM 2(U b U M )
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光电二极管交流检测电路 光电池交流检测电路
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一、输入电路动态工作状态的计算
光电池交流检测电路


图a是光电池交流检测电路。图b 是处于线性区域的工作特性图解。 图中直流负载是通过原点，斜率 为Gb的直线 当输入光照度为e＝E0＋Emsinωt时， 光电池特性曲线中对应于E＝E0的 曲线与直流负载线相交于Q点，Q 是静态工作点
S E e /( g GL Gb ) SEe U L g G G jC 1 j L b j i U / R , C j /( g GL Gb ) L L L

不同工作状态下的简化Hale Waihona Puke Baidu式
U L SUb RL
可以认为加在光敏电阻上的电压近似为 电源电压Ub，与R无关。此状态又叫做 恒压偏置状态。
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2、电桥输入电路
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选择两个性能相同的热敏电阻RT作电 桥测量臂电阻，普通电阻作为补偿臂 电阻。
无外来辐照时，调节使电桥平衡，有
RT 1R2 RT 2 R1
电桥输出信号为0。
如何确定负载电阻的临界值？
IRL 1 IRL 1 IRL 2 I S I 0 [1 ( ) ( ) ] UT 2! UT 3! UT
当 IRL<< 1 时，有
UT
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由于I0<<I, 有 I = S
S I I 0 RL 1 UT
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可变电阻型器件光电信号输入电路
I GL U S （负载减小，输出电流幅值增大） 1 G / GL
通常GL>>G
I S
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（5）计算输出电功率 由功率关系P=U I，得
S 2 P GL U GL ( ) G 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。
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7.2、交变光信号检测电路设计
一、输入电路动态工作状态的计算



在交变光信号输入电路中，为提供检测器件 的正常工作条件，首先要建立直流工作点 输入电路和后续电路通常是经阻容连接等多 种方式耦合的 后续电路的等效输入阻抗将和输入电路的直 流负载电阻并联组成检测器的交流负载
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一、输入电路动态工作状态的计算
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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概述

光电检测电路组成
检测对象 光源 (成像系统) 光电器件 输入电路
前置放大器
光信号

对检测电路的要求

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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 ) Ub IRL
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。
光电二极管交流检测电路
交流负载线

首先确定在交流光信号作用下电 路的最佳工作状态：确定直流工 作点Q



设输入光照度为e＝E0＋Emsinωt 等效交流负载为Rb和RL的并联,是 交流负载线的斜率的倒数 交流负载线MN过转折点M MN与E=E0时的伏安特性曲线的交 点为静态工作点Q
直流负载线