第四章 光电信号检测电路二PPT课件
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Um＝SEEm/(Gb+GL+g) ❖ 负载电阻RL上的输出功率PL为
PL＝ILUm/2
式中，IL＝Um/RL＝GLUm是负载RL上的电流峰值， 有
❖ PL＝(GL/2)·[SEEm/(Gb+GL+g)]2
❖ 将PL对RL求偏微分计算最大功率输出下的负载电阻 RL0＝1/GL0，可得
GL0＝Gb＋g
2．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。
光电池交流检测电路及其图解计算 a) 检测电路 b) 图解法
❖ 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。交流负载线通过Q点，斜率为Gb ＋GL，该负载线与最大输入光照度e＝E0＋Em对应 的光电池曲线相交于M点。M点的电压UM应满足
IQ＝(Ub-UQ)Gb ❖ 求解上二式，有
UQ＝(GbUb-SEE0)/(g＋Gb) ❖ 另一方面，在电压轴上工作点Q处的电压UQ为
UQ＝Umo+UM＝SEEm/2(Gb+g)+UM ❖ 比较前二式可计算出Gb0或Rb0为
Gb0＝[SE(Em+2E0)+2gUM]/2(Ub-UM) ❖ 类似地，若Rb0已知则可由上式计算Ub值。
1）多数情况下任何复杂的信号激励都可看成为若 干谐波信号的叠加。
2）对于确定的环节，描述它对不同谐波输入信号 的响应能力的频率特性是唯一确定的，是环节对 交变信号动态响应的表征。
3）多级检测系统ห้องสมุดไป่ตู้以用其组成单元的频率特性间 的简单计算得到系统的综合频率特性，有利于复
杂系统的综合分析。
❖ 有关光电检测器件的频率响应已在相应各章节中介 绍。
载电阻是Rb和RL的并联。对应的交流负载线MN应该 通过特性曲线的转折点M，以便能充分利用器件的线
性区间，其斜率由Rb和RL的并联电阻决定。交流负载 线与光照度E＝E0对应的伏安特性相交于Q点，该点 对应交变输入光照度的直流分量，是输入直流偏置电
路的静态工作点。通过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。
❖ 1）确定检测电路的动态工作状态，使在交 变光信号作用下负载上能获得非线性失真最 小的电信号输出。
❖ 2）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。
❖ 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。另一方面输 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。这是不同 于静态计算的主要区别之一。现以光电二极管的两 种工作状态为例介绍它们的动态计算方法。
❖ 本节将以器件等效电路为基础，介绍检测电路的 频率特性，并给出根据被测信号的技术要求设计检 测电路的实例。
❖ 1．光电检测电路的高频特性 ❖ 除热释电探测器件外，大多数的光电、热电探测器件对检
1．光电二极管交流检测电路 ❖ 图a给出了反向偏置光电二极管交流检测电路的
基本形式。
反向偏置光电二极管交流检测电路及计算 a) 检测电路 b) 图解法
❖ 首先确定在交流光信号作用下电路的最佳工作状态。
假定输入光照度为正弦变化，具有e＝E0＋Emsinωt 的形式，光照度的变化范围为E0±Em。若在信号通频 带范围内，耦合电容Cc可认为是短路，则等效交流负
❖ 需要强调指出的是，在光电器件以各种耦合方式和
电路器件组成检测电路时，其综合动态特性不仅 与光电器件本身有关，而且主要取决于电路 的形式和阻容参数，需要进行合理的设计才 能充分发挥器件的固有性质，达到预期的动 态要求。
❖ 工程上描述检测通道频率响应的参数是通道的通频 带ΔF，它是检测电路上限和下限截止频率所包括的 频率范围。ΔF愈大，信号通过能力愈强。
UM＝UQ+Um≤0.7Uoc
式中，Um是与正弦输入的光照度相对应的输出电压 峰值。
❖ 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。偏置电阻的数值可计算 为
Rb0＝RL0＝2UM/SE(2E0+Em)
❖ 二、光电检测电路的频率特性
❖ 光电器件自身的惯性和检测电路的耦合电容、 分布电容等非电阻性参数的存在使光电检测电路 需要一个过渡过程才能对快速变化的输入光信号 建立稳定的响应。
❖ 为了表征这种动态响应能力，通常采用两种 分析方法，即时域分析法和频域法。前者以经典 的微分方程法为基础，通过求解微分方程得到输 出响应的时间表达式。这种方法的全部计算都是 在时间范围内进行，可以获得有关过渡过程的直 观描述，但一般计算繁琐，缺乏明确的规律性。
以傅里叶变换为基础的频域分析法是基于下述的基 本出发点：
❖ 下面来计算负载RL上的输出电压和输出功率值。 ❖ 负载电阻上的输出电压峰值Um可利用图b中阴
影线三角形MHQ的数值关系计算。若交流负载线 的斜率是GL+Gb，设交流负载总电流峰值为Im， 则有
Um＝Im/(GL+Gb) ❖ 另一方面，在图中的线段MH上有电流关系
Im＝SEEm-gUm 代入上式，有
整体 概述
一 请在这里输入您的主要叙述内容
二
请在这里输入您的主要 叙述内容
三 请在这里输入您的主要叙述内容
§4-3光电信号检测电路的动态计算
❖ 4.3.1 光电信号输入电路的动态计算
在许多场合下，光电检测电路接收到的是随时 间变化的光信号，例如瞬变信号或各种形式的调制 光信号。这类信号的 特点是信号微弱，需要多级放 大以及信号中包含着丰富的频率分量等。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 下述几项动态计 算问题，即：
❖ 可得阻抗匹配条件下负载的输出电压峰值Umo、最 大输出功率有效值PLm和输出电流峰值Imo，为
Umo＝SEEm/2GL0
PLm＝(SEEm)2/8GL0＝GL0Umo2/2
❖ 最大功率输出条件的直流偏置电阻Rb0和电源电压Ub 可用解析法计算。静态工作点Q的电流值由伏安特性 有
IQ＝gUQ+SEE0 ❖ 由负载线有
PL＝ILUm/2
式中，IL＝Um/RL＝GLUm是负载RL上的电流峰值， 有
❖ PL＝(GL/2)·[SEEm/(Gb+GL+g)]2
❖ 将PL对RL求偏微分计算最大功率输出下的负载电阻 RL0＝1/GL0，可得
GL0＝Gb＋g
2．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。
光电池交流检测电路及其图解计算 a) 检测电路 b) 图解法
❖ 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。交流负载线通过Q点，斜率为Gb ＋GL，该负载线与最大输入光照度e＝E0＋Em对应 的光电池曲线相交于M点。M点的电压UM应满足
IQ＝(Ub-UQ)Gb ❖ 求解上二式，有
UQ＝(GbUb-SEE0)/(g＋Gb) ❖ 另一方面，在电压轴上工作点Q处的电压UQ为
UQ＝Umo+UM＝SEEm/2(Gb+g)+UM ❖ 比较前二式可计算出Gb0或Rb0为
Gb0＝[SE(Em+2E0)+2gUM]/2(Ub-UM) ❖ 类似地，若Rb0已知则可由上式计算Ub值。
1）多数情况下任何复杂的信号激励都可看成为若 干谐波信号的叠加。
2）对于确定的环节，描述它对不同谐波输入信号 的响应能力的频率特性是唯一确定的，是环节对 交变信号动态响应的表征。
3）多级检测系统ห้องสมุดไป่ตู้以用其组成单元的频率特性间 的简单计算得到系统的综合频率特性，有利于复
杂系统的综合分析。
❖ 有关光电检测器件的频率响应已在相应各章节中介 绍。
载电阻是Rb和RL的并联。对应的交流负载线MN应该 通过特性曲线的转折点M，以便能充分利用器件的线
性区间，其斜率由Rb和RL的并联电阻决定。交流负载 线与光照度E＝E0对应的伏安特性相交于Q点，该点 对应交变输入光照度的直流分量，是输入直流偏置电
路的静态工作点。通过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。
❖ 1）确定检测电路的动态工作状态，使在交 变光信号作用下负载上能获得非线性失真最 小的电信号输出。
❖ 2）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。
❖ 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。另一方面输 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。这是不同 于静态计算的主要区别之一。现以光电二极管的两 种工作状态为例介绍它们的动态计算方法。
❖ 本节将以器件等效电路为基础，介绍检测电路的 频率特性，并给出根据被测信号的技术要求设计检 测电路的实例。
❖ 1．光电检测电路的高频特性 ❖ 除热释电探测器件外，大多数的光电、热电探测器件对检
1．光电二极管交流检测电路 ❖ 图a给出了反向偏置光电二极管交流检测电路的
基本形式。
反向偏置光电二极管交流检测电路及计算 a) 检测电路 b) 图解法
❖ 首先确定在交流光信号作用下电路的最佳工作状态。
假定输入光照度为正弦变化，具有e＝E0＋Emsinωt 的形式，光照度的变化范围为E0±Em。若在信号通频 带范围内，耦合电容Cc可认为是短路，则等效交流负
❖ 需要强调指出的是，在光电器件以各种耦合方式和
电路器件组成检测电路时，其综合动态特性不仅 与光电器件本身有关，而且主要取决于电路 的形式和阻容参数，需要进行合理的设计才 能充分发挥器件的固有性质，达到预期的动 态要求。
❖ 工程上描述检测通道频率响应的参数是通道的通频 带ΔF，它是检测电路上限和下限截止频率所包括的 频率范围。ΔF愈大，信号通过能力愈强。
UM＝UQ+Um≤0.7Uoc
式中，Um是与正弦输入的光照度相对应的输出电压 峰值。
❖ 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。偏置电阻的数值可计算 为
Rb0＝RL0＝2UM/SE(2E0+Em)
❖ 二、光电检测电路的频率特性
❖ 光电器件自身的惯性和检测电路的耦合电容、 分布电容等非电阻性参数的存在使光电检测电路 需要一个过渡过程才能对快速变化的输入光信号 建立稳定的响应。
❖ 为了表征这种动态响应能力，通常采用两种 分析方法，即时域分析法和频域法。前者以经典 的微分方程法为基础，通过求解微分方程得到输 出响应的时间表达式。这种方法的全部计算都是 在时间范围内进行，可以获得有关过渡过程的直 观描述，但一般计算繁琐，缺乏明确的规律性。
以傅里叶变换为基础的频域分析法是基于下述的基 本出发点：
❖ 下面来计算负载RL上的输出电压和输出功率值。 ❖ 负载电阻上的输出电压峰值Um可利用图b中阴
影线三角形MHQ的数值关系计算。若交流负载线 的斜率是GL+Gb，设交流负载总电流峰值为Im， 则有
Um＝Im/(GL+Gb) ❖ 另一方面，在图中的线段MH上有电流关系
Im＝SEEm-gUm 代入上式，有
整体 概述
一 请在这里输入您的主要叙述内容
二
请在这里输入您的主要 叙述内容
三 请在这里输入您的主要叙述内容
§4-3光电信号检测电路的动态计算
❖ 4.3.1 光电信号输入电路的动态计算
在许多场合下，光电检测电路接收到的是随时 间变化的光信号，例如瞬变信号或各种形式的调制 光信号。这类信号的 特点是信号微弱，需要多级放 大以及信号中包含着丰富的频率分量等。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 下述几项动态计 算问题，即：
❖ 可得阻抗匹配条件下负载的输出电压峰值Umo、最 大输出功率有效值PLm和输出电流峰值Imo，为
Umo＝SEEm/2GL0
PLm＝(SEEm)2/8GL0＝GL0Umo2/2
❖ 最大功率输出条件的直流偏置电阻Rb0和电源电压Ub 可用解析法计算。静态工作点Q的电流值由伏安特性 有
IQ＝gUQ+SEE0 ❖ 由负载线有