(完整版)第四章光电信号检测电路

Rg
1 G
折线化伏安特性的分析：
在输入光通量变化范围Φmin~Φmax为已知的条件下，用解 析法计算输入电路的工作状态：
1、确定线性工作区域(确定 U0 , G0 , G , S 的关系)
G0U0 GU0 Smax
U0
S max G0 G
G0
G
S max U0
2、计算负载电阻和偏置电压：
固定
A
硫化镉光敏电阻，与 人眼光谱响应接近
若外界光线强烈，则阻值小，电流大，充电过 程迅速
2、按下开关，负端电位 被拉到地，电压比较器 输出高电平，三极管导 通，快门打开
3、同时 ，电容开始充电， A点的电位逐渐升高，充 电的电流大小由光敏电阻 的阻值决定。
4、电容充电完毕，电路 断开，负端电压升高超 过正端，三极管截止， 快门关闭
Ub2
Ub3 Uo
图解法的应用
1. 由ΔΦ和ΔI选择RL和Ub稍高于转换点M，以便 有最大不失真电压输出。 2. 利用输出的线性关系，确定RL和Ub 3. 同时保证Ub不大于器件最大工作电压Umax
M
2、解析计算法：对光电器件的非线性伏安特性进行分段
折线化，称为折线化伏安特性。
折线化的画法
i
i
M
象限，即规定电流的正方向，则
伏安特性可表示为：
I I p Is (eU UT 1)
或
U
UT
ln
I
Ip Is Is
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
U /V
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8 i / mA
光伏型器件伏安曲线
I
Ip
Id
等效电路
1、光伏型器件输入电路的形式： 无偏置型、反向偏置型和太阳能电池充电电路
2、无偏置输入电路的静态计算
I
电路方程：
U I RL
I I p Is eU UT 1
Ip
Id
U U RRLL
负载线与给定光通量Φ0对应 的伏安曲线的交点即为工作点Q。 Q点对应的U和I即为RL上的输出电 流和电压。光通量变化时形成相应
i I IQ
的输出电流变化和输出电压变化。 arctan GL
工作点，当Φ0下降ΔΦ时，在负载电阻RL上产生的 电U 压信号输出和 的I 电流信号输出。
可借助图解法合理地选择电路参数，如最 大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率。
图解法的应用：电路分析 光电开关
1、负载电阻的影响分析：
io
RL1 RL2 RL3
RL 2
功耗限制
RL1
0
RL3 M Q
4.3 光电信号检测电路的动态计算
光电检测电路接收交变光信号时，与缓变光信号 相比，交变信号有更丰富的频率分量，信号微弱时 还需要多级放大等。与缓变光信号检测电路的设计 不同，在分析和设计交变光信号检测电路时，需要 解决下面的动态计算问题：
1、确定检测电路的动态工作状态，使交变光信 号作用下负载上能获得最小非线性失真的电信号输 出。
制约关系
1、图解计算法：利用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。
基本电路
Ub
io
RL
U
I Ub
I
RL
IQ
I
0
Q
0
0
负载线方程：
U I Ub IRL
负载线与对应输入光通量为
o
arctan1 RL
U UQ U
Ub Uo
Φ0时的器件的伏安特性曲线交点Q，即为输入电路的静态
U1
U
III R2
IV U
U 2
线性关系良好
空载电压输出区域IV
2、光电池的开路电压通常为
0.45-0.6V，当入射光强做跳跃式变
化时，不要求电压随光通量线性变
化（IV区），适合于开关电路或继
电器工作状态。开路电压是：
I
U
Uoc
UT
ln
Ip Is Is
UT
ln
Ip Is
UT
ln
S Is
RL 0
i
R1 I
II
RM
Isc2 2 I sc1 1
O
U1
U
III R2
IV U
U 2
特点：在这种状态下，对于较小的入射光通量，开 路电压输出变化较大，有利于弱电信号的检测
线性电压输出区域 II
3、此时负载电阻处于中间值，小于临界负载 RM ，输 出电压与输入光通量近似线性。这通常是我们需要的工 作状态！
U0
S max G0 G
Ub U0 GL G0U0
GL
G0
U0 Ub U
0
Ub
Smax
G0 G Smax
G0
G0
RL
1 GL
Ub
Smax GL G0 GL G0 G
3、计算输出电压幅度：
H点 GL Ub Umax GUmax Smin
M点 GL Ub U0 GU0 Smax
0
10000lx
6000lx
4000lx 2000lx 500lx
40 80
16 12 M
8
4
U /V
120 0
20mW / cm2
15mW / cm2 10mW / cm2 5mW / cm2
5 10
U /V
15
光电倍增管
光电二极管
光电三级管
1、图解计算法：利用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i / uA。
压的变化范围。
光敏电阻的两种工作状态
1）恒流偏置
当RL>>R时，I L Ub RL
R IL
RL
UL
2
I L
SUb
R RL
I
R 2U b S
R RL 2
Ub
负载电流与光敏电阻阻值无关，近似 保持常数。
2）恒选阻Ub压取上，偏R的与L置电<R<无压R关近时。似，为加输电在出源光信电敏号压电电压为更：换U光L敏 电RL阻UI则LL影R响RS2UU不RbLb大SR2 LRL
图解法的应用：
图中给出了RL 不变时，Ub
的大小对输出信号的影响：
2、偏置电压的影响分析：
当偏置电压增大时，输出
io
功耗限制
信号电压幅度也随之增大，线 性度得到改善，但电路的功耗
0 随之加大，过大的偏置电压会
引起光电二极管的反向击穿。
0
0 可见偏置电压增加可提高线 性度，但是也应该适当
o
U b1
基本电路
1200
10000lx
I
RL
U
Ub
负载线方程：
U I Ub IRL
800
400
U /V
0
6000lx
4000lx 2000lx 500lx
40 80
120 U /V
光电二极管
由图可得，同样的端电压下，输入的光通量越大，
则电路中的电流越大，从负载RL输出的电压也就
越大，而光电器件两端的电压则变小
4.2 光电信号输入电路的静态计算
静态计算法是对缓慢变化的光信号采用直流电路 检测时使用的设计方法，由于光电检测器件的非线 性伏安特性，所采用的方法包括非线性电路的图解 法和分段线性化的解析法。
按照伏安特性的基本性质可分为三种类型：恒流 源型、光伏型和可变电阻。
4.2.1 恒流源型器件光电信号输入电路
0 Q
UQ
图解法 分析：
U
O
U
光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析：
伏安特性 非线性
光通量较小时 近似线性关系 光通量较大时 逐渐饱和状态
电阻越大越明显
RL 0
RM
RL↑
负载电阻的选取影响输出信号
UM
短路电流或线性电流放大(区域I) 空载电压输出(区域IV) 线性电压输出(区域 II)
短路电流或线性电流放大区域 I
③结间漏电导G—线性区各
O U0
Ip 0
Id
U
平行直线的平均斜率。
④光电灵敏度S—单位输入 光电灵敏度的表达式：
光功率所引起的光电流值。
S Ip
φ为输入光功率 Ip为对应的光电流
i
折线化的分析原则：
M
arctan G
利用折线化的伏安特性， 可将
线性区内任意Q点处的电流值I表示
IQ
Q
P0
为两个电流分量的和：
检测电路系统结构
光电器件
输入电路
前置放大及 耦合电路
输出
光电器件： 光电变换
输入电路：为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变 换，同时完成和前置放大及耦合电路的电路匹配。
前置放大及耦合电路：输入信号的精确检测
例如
光电器件 输入电路
前置放大
第四章 光电信号检测电路
主要内容： • 4.1 光电检测电路的设计要求 • 4.2 光电信号输入电路的静态计算 • 4.3 光电信号检测电路的动态计算 • 4.4 光电信号检测电路的噪声 • 4.5 前置放大器
4.2.3 可变电阻型器件光电信号输入电路
光敏电阻的一般输入电路
R IL RL
？ UL
Ub
其阻值随输入光通量改变
的伏安特性如右下图。
i
Ub RL
光敏电阻电路 1
利用图解法分析光敏电阻
输入电路如图示。在建立负载线 I 之后即可确定对应于输入光通量
Φ1~Φ3变化的输出信号。
O
U L Ub I L RL
所以 R
S Gp Gd 2
R2S
即有：I
R 2U b S
R RL 2
和
U L
RLI L
R 2U b S
R RL 2
RL
练习思考
R IL
10K
UL
Ub
已知负载10k，偏置电压100V,光电导灵敏度为 S=0.5×10-6S/lm，暗电导为0，假设静态工作点光通量 为100lm时，光敏电阻阻值为20k，试求光通量在50lm 到150lm的范围内变化时电路负载上输出电流和输出电
arctan G
2
Q
3
U
Ub
U
图解法伏安曲线
利用解析法分析光敏电阻输入电路
按照线性电路规律，依图有：
IL
Ub ；
R RL
UL
R
RL RL
Ub
R IL RL
Ub
UL
当光通量变化时，光敏电阻变化ΔR，引起
负载上输出电流ΔI和输出电压ΔU的变化：
I L
Ub
R RL 2
R
又
R
Gp
1 Gd
,Gp
S
P
Байду номын сангаас
U I
GL
S G GL
2
4.2.2 光伏型器件光电信号输入电路
光伏型器件伏安曲线如图示， 位于第四象限，器件的端电压U和电
流I的方向相反，具有赋能元件的性
质。这类器件主要是光电池和光电 池工作状态下的光电二极管。
光电池输出电流有下列形式：
I Is (eU UT 1) I p
将光电池的伏安特性转到第一
在工作电压较小时，曲线呈弯曲，存在一个转折点M，
随电压增大，输出电流变化不大，趋于恒流。这种输出
电特性流。随着器件光端电电流压由增输大入而的变光化功不率大来的控性制质称为恒流源
i / mA
5
i / uA i / mA
4
100lm
1200
3
75lm
800
50lm
2
1
25lm
400
0
U /V
0
200 400 600 800 1000
arctan G
IQ
Q
arctan G0 O U0
Ip 0
Id
UO
折线化的画法一
M
arctan G0 arctan G
U0
U
折线化的画法二
折线化伏安特性可用下列 参数确定：
①转折电压U0—对应于曲线 转折点M处的电压值。
i M
IQ
arctan G
Q
0
②初始电导G0—非线性区
近似直线的初始斜率。 arctan G0
1、负载电阻很小,接近于0,电 路工作状态接近于短路工作状态, 可实现电流变换。后续电流放大 级可从光电池中吸取最大的输出 电流。此时输出电流为：
I
I I p Is eIRL UT 1 RL 0
I p Isc S
和 I S
RL 0
i
R1 I
II
RM
Isc2 2 I sc1 1
O
在线性度要求不高时,可用图解法通过 OA 负载线,确定 RM
RM
0.7U OC IP
0.7U OC SΦmax
特点：连接电压放大器 I
RL 0
i
R1 I
II
RM
Isc2 2 I sc1 1
O
U1
U
III
R2
IV U
U 2
0.7Uoc
光敏电阻的应用----照相机电子快门
输入电路
1、电压比较器正端电压
I Q f U , Id I p
arctan G0 O U0
Ip P0
Id
U
Id--为与二极管端电压U成正比， 由结间漏电导形成的无光照电流 （暗电流）。
那么理想的光电二极管等效 电路可表示为：
Ip—为与端电压无关，仅取决于 输入光功率Φ的光电流。
则： I Id I p GU S
I
Ip Id
4.1 光电检测电路的设计要求
设计原则：保证光电器件和后续电路最佳的工
作状态。使整个检测电路满足下列要求：
1. 光电转换能力强：光电灵敏度、线性范围。 2. 动态响应能力快：频率响应 3. 信号检测能力强：信噪比(SNR)、等效噪声功率(NEP)。 4. 稳定性、可靠性好：工作要求（精度 重复性）
0
0
o
Ub Uo
负载线的斜率 1/RL
可见负载电阻增加可增加输 出电压，但是必须适当
图中给出了Ub不变时， RL的大小对输出信号的影 响：
输入光通量变化时，负 载电阻的减小，光电器件 端电压增大，输出电压减 小
同时负载电阻的减小会 受到最大工作电流和功耗 的限制。而过大的RL又使 输出负载线进入非线性区， 使输出信号波形畸变。
U max
GLUb Smin G GL
U0
GLU b G
Smax GL
U S max min S
G GL
G GL
Φ=0
3、计算输出电流幅度：
I
I max
Imin
UGL
S
max min 1 G GL
通常 GL G ，上式可简化为：
I S max min S
4、计算输出电功率：