光电探测器的偏置电路

1、 第四章第四章 光电信号处理光电信号处理 华中科技大学华中科技大学 第四章第四章 光电信号处理光电信号处理4.1.1 探测器伏安特性回顾及基本概念探测器伏安特性回顾及基本概念4.1.2 可变电阻型探测器的偏置和设计可变电阻型探测器的偏置和设计4.1.3 恒流源型探测器的偏置和设计恒流源型探测器的偏置和设计 4.1.4 光生电势型探测器的偏置和设计光生电势型探测器的偏置和设计4.1 光电探测器的偏置电路光电探测器的偏置电路4.1.1 探测器的伏安特性回顾及基本探测器的伏安特性回顾及基本概念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

2、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 ） 一、探测器的伏安特性一、探测器的伏安特性USUgIgp阳极与末极倍增极间的电压阳极与末极倍增极间的电压/VI/Ace(a)(b)ic / mA100123456uCE / VmW / cm21. 1. 静态和动态静态和动态二二. . 基本概念基本概念 电路中直流信号和交流信号是同时存在的，为电路中直流信号和交流信号是同时存在的，为了分析研究方便，将两种信号对电路的作用分开讨了分析研究方便，将两种信号对电路的作用分开讨论，即分为直流通路和交流通路。论，即分为直流通路和交流通路。

3、直流通路直流通路:在直流电源作用下直流电流流过的通路，在直流电源作用下直流电流流过的通路，即静态电流通路。主要用于求解静态工作点。即静态电流通路。主要用于求解静态工作点。直流通路的确定方法直流通路的确定方法:(a)将电容开路；将电容开路；(b)将电感短路，忽略内阻；将电感短路，忽略内阻；(c)信号源短路，保留内阻。信号源短路，保留内阻。2. 2. 直流和交流通路直流和交流通路 交流通路交流通路: 在输入信号作用下交流电流流过的通路，在输入信号作用下交流电流流过的通路，即动态电流通路。主要用于确定电路的动态参数。即动态电流通路。主要用于确定电路的动态参数。交流通路的确定方法交流通路的确定方法:(

4、a)将电容视为短路；将电容视为短路；(b)将电感视为开路；将电感视为开路；(c)将直流电源视为短路。将直流电源视为短路。(小内阻小内阻)信号的不同分量可以分别在不同的通路中分析。信号的不同分量可以分别在不同的通路中分析。在分析电路时，应遵循在分析电路时，应遵循“先静态，后动态先静态，后动态”的原则，的原则，求解静态工作点求解静态工作点Q时应用直流通路，求解动态参数时应用直流通路，求解动态参数时应用交流通路时应用交流通路，两种通路必须分清，不可混淆。，两种通路必须分清，不可混淆。RC耦合共射放大电路耦合共射放大电路开路开路开路开路RB+ECRCC1C2T直流通道直流通道RB+ECRC利用上述原则

5、，阻容耦合共射放大电路的直、交流通路利用上述原则，阻容耦合共射放大电路的直、交流通路分别为分别为:对交流信号对交流信号(输入信号输入信号ui)短路短路短路短路置零置零RB+ECRCC1C2TRBRCRLuiuo交流通路交流通路4.1.2 可变电阻型探测器的偏置和设计可变电阻型探测器的偏置和设计dR：探测器电阻：探测器电阻LR：偏置电阻（或负载电阻）：偏置电阻（或负载电阻）一、基本偏置的一、基本偏置的静态静态设计设计1. 图解法图解法LBRV /BVVIOLLBRIVVLLBRIVV负载回路方程负载回路方程 ggpLVSEVSVgI伏安曲线伏安曲线 负载线负载线 伏安特性伏安特性 V2. 解析法

6、解析法LdBLRRVI偏置电流偏置电流LdLBALRRRVVV输出点电压输出点电压222)()(LdgdBLddBLRRSRVRRdRVdIILLdgdBLRRRSRVRIV22)(222)(LddBdLmRRRVRIP光敏电阻功耗光敏电阻功耗入射辐射变化时，偏置电阻入射辐射变化时，偏置电阻RL两端的输出信号电流、电两端的输出信号电流、电压变化为压变化为 ？电路参数确定后，输出信号变化与入射辐射量的变化成线性关系。电路参数确定后，输出信号变化与入射辐射量的变化成线性关系。 gSG 设入射于光敏电阻的辐射为调制辐射正弦，ttmsin)(0RLRdipCdVL等效微变电路基本偏置电路V二、基本偏置

7、的动态设计二、基本偏置的动态设计BVOtVStimgp sin)(0 输出的交流部分电流LddLLdLddmgLddmgLRRRRRRRRCtVSRRCtVStV 2/100)(1 sin)/(sin)( 输出的交流部分电压m0m00交流负载线交流负载线检测微弱信号时需考虑器件的固有噪声：检测微弱信号时需考虑器件的固有噪声：热噪声、产生复合噪声及热噪声、产生复合噪声及/f噪声噪声光敏电阻若接收调制辐射，其噪声的等效电路如图所示ipingrintinfRLRdCd考虑噪声时的噪声等效电路4.1.3 恒流源型探测器的偏置和设计恒流源型探测器的偏置和设计（光电二极管）（光电二极管）参考：孙培懋，光电

8、技术 康华光，电子技术基础，第三版VIRVbbbbRVVI/ )(PDbVbRLRCn 负载线的斜率负载线的斜率：1/Rb。bVV bbRVI/负载线和静态工作时所对负载线和静态工作时所对应的伏安特性曲线的交点应的伏安特性曲线的交点Q即为输入电路的静态工即为输入电路的静态工作点。作点。bbRVVI/ )( 由图可知：在一定偏压下，随由图可知：在一定偏压下，随Rb增大，输出增大，输出信号电压范围变大，但过拐点信号电压范围变大，但过拐点M M后，信号会产后，信号会产生畸变。生畸变。 M （3）参数分析（）参数分析（ Rb和和Vb ） Rb影响影响 M1bV2bV3bV功耗限制VI000 Vb影响

9、M 1bV2bV3bV功耗限制VI000M WA /4 . 0思思 考考 题题bVbR2DUMMV0VbVVI21021(1).(1).为保证为保证2DU2DU工作于线性区且工作于线性区且 R Rb b最大，过拐点作负载线，则最大，过拐点作负载线，则: :(2).(2).输出电压输出电压 : :kVVIVVRMbMbb125101004 . 0101542max2VRIRVbb5 . 01012510104 . 036maxmax0tEEEmsin0PDbVbRLRCPDbVbRLRCVIRVbbbbIRVVVtEEEmsin0QbbIRVVPDbVbRLRCPDbVbRLRCVtEEEmsi

10、n0在信号通频带范围内，耦合电容在信号通频带范围内，耦合电容C可以认为是短路。可以认为是短路。 交流负载线与光照度交流负载线与光照度E=E0对应的伏安特性相交于对应的伏安特性相交于Q点。点。 交流负载线斜率由交流负载线斜率由RL/Rb决定，同时为了充分利用器件的线性决定，同时为了充分利用器件的线性区间（使输出信号最大），对应的交流负载线应通过特性曲线区间（使输出信号最大），对应的交流负载线应通过特性曲线的转折点的转折点M。设光照度变化：设光照度变化： 则光照度变化范围则光照度变化范围: : 等效交流负载电阻：等效交流负载电阻：tEEEmsin0mEE 0LbRR /QM(VM)VQVb/RbI

11、IQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im22221212121bLmELmLmLmmLmLGGESGVGVIVIPbLmEmGGESVmEmESIbLmmGGIVmLLmmLVGRVI/QM(VM)VQVb/RbIIQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im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: : 22bLmELLGGESGPbLGGbmELGESV2max22max8)()2(2bmEbmEbLGESGESGPmELLaxLmESVPI21/2maxmax电流由负载和偏电流由负载和偏置电阻均分置电阻均分大三角中大三角中0)(ESGVVIEbQbQ

12、或)(2)2(00MbmEbVVEESG)2()(200EESVVRmEMbb 当已知电源电压Vb时，可计算出偏置电阻Rb。QM(VM)VQVb/RbIIQVQ+VmVQ-VmIQ-ImIQ+Im小三角中小三角中mEbMQESGVV2)(高频短路高频短路列出电路的回路方程：列出电路的回路方程：SEiiiibLcgLjbLbLcgVcjGGgiiiijGGgSEGGgcjGGgSEcjGGgSEVbLbLjbLjbLL1)(1)(基本电路基本电路微变等效电路微变等效电路SEtEEEmsin0jRSEjGGSEVLbLL121)(jLcR2jLhccRf121jGGgSEGGgcjGGgSEcjG

13、GgSEVbLbLjbLjbLL1)(1)(jRSEVbL1jbcR jbhccRf2121jGGgSEGGgcjGGgSEcjGGgSEVbLbLjbLjbLL1)(1)(jRSEVLL1jLcR jLhccRf2121jGGgSEGGgcjGGgSEcjGGgSEVbLbLjbLjbLL1)(1)(jLhccRf121jbhccRf2121jLhccRf2121比较比较为得到足够的为得到足够的信号功率和电信号功率和电压，压，RL和和Rb要要大，从而降低大，从而降低高频截止频率，高频截止频率，使通频带宽度使通频带宽度降低。降低。jRSEVbL1 jRSEVLL 12jRSEVLL1lm510

14、44.1.4 光生电势型探测器的偏置和设计光生电势型探测器的偏置和设计（光电池）（光电池）pIdII光电池等效电路LRVLIRV 流过探测器的总电流：流过探测器的总电流： I=IP-Id（未考虑表（未考虑表面漏电流）面漏电流）1. 基本电路基本电路2. 回路方程回路方程)1(/0 kTqVdeII其中其中 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，工作点Q就就能由负载线与光电池相应伏安曲线的交点决定。该点的能由负载线与光电池相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。相对相对0的光通量增量的光通量增量将形成将形成对应的电流

15、变化对应的电流变化I和和V。 3. 确定直流负载线确定直流负载线IVLsRQQV光电池伏安曲线102LsLRR LsLRRLGtg11V2V 由图知：对确定的电阻由图知：对确定的电阻RL（以（以RLs为例）为例） ，当输入光通量较小时，负载上的输出电压和电流随光通量成当输入光通量较小时，负载上的输出电压和电流随光通量成正比例增加；正比例增加；当入射光通量较大时，输出电压和电流呈饱和状态（非线当入射光通量较大时，输出电压和电流呈饱和状态（非线性）。电阻越大越明显。性）。电阻越大越明显。IVLsRQQV光电池伏安曲线102LsLRR LsLRRLGtg11V2V 由图知：对应相同的由图知：对应相同

16、的=12， 当当RL RLS时，呈非线性（电压饱和），在检测电路中往往希望时，呈非线性（电压饱和），在检测电路中往往希望线性。线性。VPIV/I/PRLoRLs（c）) 1(exp0TLpVIRIII) 1/ln(0IRVIVVLpT)1/ln(02 IRVIRVVRVPLpLTL（c）SIUIRIIIpRTLpSCL00) 1(expSIppII有则：则：0lnlnIVIVVTTpOC0lnlnIVIVVTpTOC00000lnln) 1ln() 1/ln(ISVIIVIIVIRVIVVTpTpTILpTOC 利用上式，可在已知利用上式，可在已知、V Vococ时，时，计算另一计算另一下的下

17、的 V Vococ lnTOCVVVOC相减相减由给定的max，取 与伏安特性曲线交于与伏安特性曲线交于S S点，得到临界负载点，得到临界负载R RLSLS, ,即临界电阻即临界电阻R RLSLS上的上的V Vs s为为max000lnln) 1ln(ISVIIVIIVVTpTpTOCocsVV6 . 0max6 . 06 . 0SVIVRocpocLsmaxmax6 . 06 . 0ococLspLsVSSVSRIRV对应的输出电压变化为：对应的输出电压变化为：pLsocsIRVV6 . 0IP 电压放大：电压放大：在保持良好线性情况下，有最在保持良好线性情况下，有最大的电压输出，负载线可接

18、近临界负载线，大的电压输出，负载线可接近临界负载线，则输出电压为则输出电压为: : SISRIRVLspLsSIUIRIIIpRTLpSCL00) 1(exp解：（1）计算200lx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 lxAEIsc/8 . 0（3）计算无偏压时最佳电阻和输出电压变化量 750) /(6 . 0EVRocLmVRVL90750)50200(8 . 0bbVIRV回路方程回路方程Mmax26 . 0SVVRocbLkSVVRocbL6 . 22008 . 012. 03 . 06 . 0maxmVR

19、SVL3102600)50200(8 . 0输入光照度为：输入光照度为：tEEEmsin0直流通路直流通路VIbIRV 回路方程回路方程静态工作点：通过原点作直流负载线，与静态工作点：通过原点作直流负载线，与E=E0交点交点Q，斜率，斜率 bG交流通路交流通路VQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 0交流负载线：过Q点，斜率与最大输入光功率E0+Em 对应的曲线相交于M点。 M点的电压VM应满足：Vm是与正弦输入光照度对应的输出电压峰值. LbGG ocmQMVVVV6 . 0VQIQIQVMmQIImQII0EmEE 0mEE 0mQVVbGtg1)(1LbGGtgMocmQVVVV6 . 0由图可知由图可知: 输出负载输出负载R RL L上的功率值上的功率值P PL L为为: : LbmELbmmGGESGGIV22221bLmELmLLGGESGVGPmLLmLVGRVI/将将PL对对GL求微分，可得最大功率输出条件：求微分，可得最大功率输出条件： bLGG 2max8)(bmELGESPbmELGESV2maxmELLLm