光电探测器_偏置电路_课件PPT

1、第四章第四章 光电信号处理（电路）光电信号处理（电路）4.1光辐射探测过程的噪声4.1 光电探测器（见前ppt）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v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。v目的：取出光电信号。v偏置电路的设计依据：器件的伏安特性v同晶体管加电源和偏置电路选取适当工作点的情况类似。4.2.1光电导探测器（光电导探测器（PC）的偏置电路）的偏置电路4.2.2光伏探测器（光伏探测器（PV）的偏置电路）的偏置电路主要内容主要内容v探测器的

2、伏安特性分三种类型：可变电阻型可变电阻型 光生电势型光生电势型 恒流型恒流型PC器件器件电阻型热探测器电阻型热探测器（加偏置，不分正负加偏置，不分正负） PV器件，器件，PMT（加反向偏置加反向偏置） 光电池光电池（不加偏置不加偏置 ） 4.2.1 光电导探测器的偏置一、基本偏置电路分析偏置电流：偏置电流：BlslVIRR设光照射在探测器上，其电阻值设光照射在探测器上，其电阻值变化为变化为RS，则电流变化即信号，则电流变化即信号电流电流iS为：为：2()BssllsVdRidIRRRS:光敏电阻；光敏电阻；RL：偏置电阻：偏置电阻输出点A的直流电压： ()BsAlsV RVRR信号电压信号电压

3、为：为： 02()BsBsssAlslsV dRV R dRVdVdVRRRR2()BlsslsV R dRVRR分析分析：a)VS与与VB的关系的关系 VBVS 但太大但太大,功耗功耗Pm损坏器件损坏器件 v例：化学沉淀PbS最大功耗Pm为0.2瓦每平方厘米,使用时要低于比值，取0.1瓦每平方厘米推导最大功耗Pm与VB的关系： Ad: 探测器光敏面积探测器光敏面积,平方厘米，平方厘米，RL，RS为电阻单位，为电阻单位，VBmax为为V单位单位 222max ()0.1()()BSBlmlSSlSlmdBSlSlSSV RVIPI RRRRRPAVRRRRRR22()()BlsBlsslsls

4、V R dRV RRVRRRRb）VS与RL的关系 令上式令上式=0=0则则 时，有极大值：时，有极大值： slRRmax4BsSlVRVR这时叫这时叫功率匹配功率匹配, , 信号电压最大信号电压最大。333()2()()(2)()()()lBslsBlssRlsBslslBssllslsVRRRV RRVRRVRRRRVRRRRRRR c) 最佳偏置条件的确定 在偏置电流在偏置电流Il一定条件下一定条件下,由上式可知：由上式可知：RlVs。但实际上当负载电阻但实际上当负载电阻RL时时,为保持固定的为保持固定的Il,应应该该VB 2()BlsslsV R dRVRR二、光电导探测器三种特殊偏置

5、方式及其特点分析1.三种常用的偏置方式1）恒流偏置当选定当选定RLRs ，则，则 与与Rs无关。无关。 即在工作过程中流过探测器的电流是一即在工作过程中流过探测器的电流是一恒定电流恒定电流。 BBllslVVIRRR当选RLG，上式简化为，上式简化为I=SI=S5 5）计算输出功率计算输出功率 22()bbbSPIVGVGGG （二）光生电势型探测电路的静态计算 pIdIICV光电池等效电路) 1(expKTqVIIIdppIId ：与温度有关的二极管与温度有关的二极管结电流结电流 光电流光电流 开路电压开路电压 电流电压特性方程电流电压特性方程 ) 1ln(dpocIIqKTV短路电流短路电

6、流 pscIIpdII dpocIIqKTVln当ppII有有dpocIqKTIqKTVlnln则：则：ococVqKTVln得：得：mVqKT268 .25室温时室温时 T=300K ，则，则 ：ln26mVVVococ利用上式，可在已知利用上式，可在已知、Voc时，计算另一时，计算另一 下的下的 Voc 1.无偏置的光电池电路： pIdII光电池等效电路LRIVLsRQQV光电池伏安曲线102LsLRR LsLRR LGtg11V2V由伏安曲线，对于给定的由伏安曲线，对于给定的0，只要选定，只要选定RL，工作点就能由负，工作点就能由负载线与光电池相应伏安曲线的交点决定。该点的载线与光电池相

7、应伏安曲线的交点决定。该点的IQ和和VQ即为即为RL上的输出值。上的输出值。由图知：对应相同的由图知：对应相同的=12，当当RL RLS时，呈非线性，在检测电路中往往希望线性时，呈非线性，在检测电路中往往希望线性。 v计算临界电阻RLS由给定的由给定的max，利用，利用算出算出VOC。 取取dpocIIqKTVlnocsVV6 . 0VsVocVscISLsRtg11交于交于S点，得到临界负载点，得到临界负载RLS,即临界电即临界电阻阻RLS上的上的Vmax为为ocpLsVIRV6 . 0maxmax6 . 06 . 0ocpocLsVIVR则则 :v线性区工作分两种情况：1）电流放大：要求R

8、L与后级放大器的输入阻抗尽量小，使负载线靠近电流轴以得到最大的电流输出。输出电流变为ISC和有良好的线性关系 pII2）电压放大电压放大：在保持良好线性情况下，有：在保持良好线性情况下，有最大的电最大的电压输出压输出，负载线可接近临界负载线负载线可接近临界负载线，则输出电压为，则输出电压为: LsRVv非线性区:当RL RLS时，输入电路处于非线性区。这时，除在光电流较小范围内有一很窄的线性区外，V与的对数成正比。对于较小的，开始的信号电压输出幅度较大。这一点对于探测弱信号特别有利。 例:光电池在光照度为100lx时，开路电压为VOC=180mV, ISC=80A ，求在由50lx增加到200

9、lx时，为保证线性输出所需最佳负载电阻值和输出电压变化量。 解：（解：（1）计算）计算200lx下的开路电压下的开路电压 mVmVVVococ200100200ln26180ln)(26（2）计算线性区域内光电池的电流响应度）计算线性区域内光电池的电流响应度 lxAEIsc/8 . 0（3）计算无偏压时最佳电阻和输出电压变化量）计算无偏压时最佳电阻和输出电压变化量 750) /(6 . 0EVRocLmVRVL90750)50200(8 . 0四、PV器件动态工作状态设计v交变光信号是指快速变化或各类型调制光信号。v在分析和设计交变光信号探测电路时应考虑到下述几个问题：1.确定探测电路动态工作

10、点。2.确定光信号频率不失真的动态响应。3.满足信号频率要求下的信噪比。 输入电路动态工作点的计算v交变电路中首先建立直流工作点以获得最大的输出。v另一方面输入电路与后续电路通常由阻容连接等多种方式实现耦合。v后续电路的等效输入阻抗将和输入的直流负载电阻相并联组成交流负载。在设计和分析输入电路时，这是不同于前述静态工作点计算的主要区别之一。 1.光电二极管交流探测电路如图为反偏压PD的交变光探测基本电路。PDbVbRLRC1）计算在已知偏压）计算在已知偏压Vb和光照度和光照度E时，时，负载电阻负载电阻RL应取多大应取多大才才能获得最大功率和线性电压输出。能获得最大功率和线性电压输出。 设入射照

11、度变化：设入射照度变化： 光照度变化范围光照度变化范围: : 在在信号频带范围信号频带范围内，耦合电容内，耦合电容C C可以认为是短路。可以认为是短路。等效交流负载电阻：等效交流负载电阻：tEEEmsin0mEE 0LbRR /v假定交流负载线为MN，它过M点，斜率由RL/Rb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，则过Q点的斜率为Gb的直线即为直流负载线。 VT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVV mQVV )(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN为了充分利用器件的为了充分利用器件的线性区间，对应的负线性区间，对应的负载线应通过特性曲

12、线载线应通过特性曲线的转折点的转折点M。VT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVVmQVV)(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN2）计算）计算RL上的输出功率上的输出功率PL和电压值和电压值Vm交流负载上交流负载上的输出功率为的输出功率为:mmmmIVVIVIP212121Vm 、Im与与Em对应的幅值对应的幅值负载电阻负载电阻RL上上输出功率输出功率22121mLLmLVGIVPVm是是RL上的电压值。上的电压值。 在在MHQ中，交流负载线斜率为：中，交流负载线斜率为： bLGG bLmmGGIV1由图中几何关系得: )()(0mEmQmQEESVVg

13、IIVT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVVmQVV)(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN0ESgVIEQQmmEmgVESIgGGESVbLmEm2)(2gGGESGPLbmELL得得: 将将PL对对GL求偏微分，得最大功率输出条件为求偏微分，得最大功率输出条件为: gGGbL则有：max2()EmLbS EVGg22max()()()88()bEmEmLbbGgS ES EPGgGg当已知电源电压当已知电源电压Vb时，时，根据动态工作点和静态工作点重合于根据动态工作点和静态工作点重合于Q点的条件点的条件，可计算出最大功率输出条件下偏置电阻，可计算出

14、最大功率输出条件下偏置电阻Rb。TQVQ中：中：bQbQGVVI)(0ESgVIEQQ且且比较可得比较可得 ：VT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVVmQVV)(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN最大功率输出条件下最大功率输出条件下偏置电阻偏置电阻Rb0bbEQbG VS EVGgVT)(1LbGGtgbGtg1MQVmQVVmQVV)(MVbVmEE 00EmEE 0gtg1ImQIIQImQIIMQHN在最大功率输出条件下，根据图中几何关系有MbmEMLQVgGESVVV)(2max比较两式得，在比较两式得，在最大功率输出下的偏置电阻值最大功率输出

15、下的偏置电阻值00(2)22()EmMbbMSEEgVGVV0bbEQbG VS EVGg002()(2)2bMbEmMVVRSEEgV2.光电池交流检测电路 VQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 0静态工作点：静态工作点： 通过原点作直流负载线通过原点作直流负载线与与E=E0交点交点QbGtg1交流负载线交流负载线: 过过Q点，斜率为点，斜率为: )(1LbGGtg与最大输入光功率与最大输入光功率E0+Em 对应的光电池曲线相交于对应的光电池曲线相交于M点。点。 M点的电压点的电压VM应满足应满足 : Vm是与正

16、弦输入光照度对应的输出电压峰值是与正弦输入光照度对应的输出电压峰值. 0.6MQmOCVVVV由图可知: VQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 0输出输出负载负载RL上的功率值上的功率值PL为为: mmmbLbLIEVGGGG将将PL对对GL求微分，可得求微分，可得最大功率输出条件最大功率输出条件： bLGG 2211()22mLLmbLEPG VGG得最大功率输出时 : 2()18mLmbEPG2212mLmbLmLmmLmEVGPIEVVQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)

17、(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 0v由静态工作点Q的状态，可计算最大功率输出下的偏置电阻Rb 。在在Q点处有点处有 ：在最大功率输出条件下有在最大功率输出条件下有 ：bmMLmMQGEVVVV2而而 得得 或或 /bQQGIV00(2)2mbMEEGV0002(2)MbLmVRREEVQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 00QIE 例.硅光电池2CR31。在100lx光照下 VOC=400mV, ISC=30A, 若输入光照度若输入光照度 lxtE)sin50150(求：最大功率线性输出时求：最大功率线性输出时 LmILmVLmPLRbR画出等效电路：画出