实验一光电二极管、光电三极管光照特性的测试 ppt课件

1、掌握光电二极管的任务原理和运用方法。进一步了解光电二极管的光照特性和伏安特性，为设计光电系统前置放大器打下根底。光电二极管是结型半导体光伏探测器件。当入射光子能量大于资料禁带宽度时，半导体吸收光子能量将产生电子空穴对。产生在PN结内的电子空穴对在内建电场光电二极管任务时加反向偏压Vb作用下被分别，构成光生电势，产生光电流，如图1所示 图1 光电二极管任务原理图光电三极管的原理性构造如图2所示。正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路产生了一个被放大的电流： 为电流放大倍数。 图2 光

2、电三极管任务原理图(1)CppIIIE4E3E2E1E0E4E3E2E1E0U I0E4E3E2E1E0E4E3E2E1E0 U I0 图3a光电二极管伏安特性曲线 b光电三极管伏安特性曲线光电二极管和光电三极管的伏安特性曲线丈量光电二极管的光电流和照度特性曲线。丈量光电二极管不同照度下的伏安特性曲线。图4 光电二极管光照特性测试安装照度计直流稳压电源A光电探测器调压变压器实验仪器：光电二极管、钨丝灯、调压变压器、照度表、毫安表、直流稳压电源等。实验安装如图4。 掌握硅光电池的正确运用方法。了解光电池零负载，以及不同负载光阴电流与照度的关系。光电池具有半导体结型器件无源直接负载下的任务特性，任

3、务原理如图1所示。 RL外接负载为，Ip为光电流，ID为二极管结电流。 光IRLIDI A N P 图1 光电池任务原理图I为经过负载的外电流： 其中ISC为光电流反向饱和电流。当 为温度电压当量时，负载RL上的电压V=IRL 给光电池正向偏压。当零负载时RL=0，1式外电流为短路电流： S为光电流灵敏度，短路电流ISC和照度E成正比。当开路时，RL=，1式外电流I=0那么开路电压为： 开路电压Voc与照度E几乎无关；一切照度下的开路电压Voc趋于光电池正向开启电压V=0.6伏，并小于这个电压值。/(1)Tv vDscIIIIIeTTKVqscpIISEln(1)pocTSCIVVI最正确负载

4、，负载在RL=0之间变化按阅历公式求出最正确负载：当RLRopt时，并忽略光电池结电流，负载电流近似等于恒定短路电流。当RLRopt时，光电池结电流按指数添加,负载电流近似于指数方式减小。 m(0.6 0.8)(0.6 0.8)ImococoptscVVVRISE测定电池零负载下Ip和E的关系。测定光电池不同负载情况下特性数据。 硅光电池、照度计、钨丝灯、调压变压器、直流稳压电源、毫伏电压表、微安表、电阻和电位计等。图2 光电池负载实验安装照 度 计调 压 变 压 器 A R5 R6 RLC mv R3100B G1R4VE I2 I1 A G 100 光电池负载实验线路安装如图2所示。u光电

5、池受光照后，产生光电流I2。在A、B两点的毫伏电压会产生偏转。调理稳压电源VE后，产生补偿电流I1，I1和光电流I2方向相反。调理电位计R5粗调和R6细调使补偿电流I1与光电流I2相减，并促使毫伏电压表G1指示为零。此时，表示A点和B点电位一样。相当于光电池在A、B二点外电路为零形状下任务，根据电路平衡条件：u u 那么光电流为：23124()0I RIIR42111431001()()1001002RIIIIRR了解光电倍增管的根本特性。学习光电倍增管根本参数的丈量方法。学会正确运用光电倍增管。 任务原理 光电倍增管是由半透明的光电发射阴极、倍增极和阳极所组成的，由图1所示。图1 光电倍增管

6、外形与结果原理表示图a) 侧窗式b) 端窗式c) 原理表示图u当入射光子照射到半透明的光电阴极K上时，将发射出光电子，被第一倍增极D1与阴极K之间的电场所聚焦并加速后与倍增极D2碰撞，一个光电子从D1撞击出3个以上的新电子，这种新电子叫做二次电子。这些二次电子又被D1D2之间的电场所加速，打到第二个倍增极D2上。并从D2上撞击出更多的新的二次电子。如此继续下去，使电子流迅速倍增。最后被阳极A搜集。搜集的阳极电子流比阴极发射的电子流普通大105104倍。这就是真空光电倍增管的电子内倍增原理。u 供电分压器和输出电路 u 光电倍增管的极间电压的分配普通是由图2所示的串联电阻分压器执行。u 最正确的

7、极间电压分配取决于三个要素：阳极峰值电流、允许的电压动摇以及允许的非线性偏离。图2 光电倍增管供电电路-HVD1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D811IA10IK1 2 3 4 5 6 7 8 9KA光电倍增管的特性和参数阴极光照灵敏度 阴极光照灵敏度定义为光电阴极的光电流IK除以入射光通量所得的商： 国际照明委员会的规范光照相应于分布温度为2859K的绝对黑体的辐射。阳极光照灵敏度 阳极光照灵敏度定义为阳极输出电流IA除以入射光通量所得的商：()KKmISA L()AAmISA I电流增益 电流增益定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流与阴极电流的比值，也可以用阳极光照灵敏度

8、与阴极光照灵敏度的比值来确定，即： 或 暗电流 当光电倍增管在完全黑暗的情况下任务时，阳极电路里依然会出现输出电流，称为暗电流。引起暗电流的要素有：热电子发射、场致发射、放射性同位素的核辐射、光反响、离子反响和极间漏电等。AKIGIAKSGSu实验安装如图3。 图3 测试原理图测试室光源室白炽灯白炽灯电源倍增管电源倍增管检流计u本实验选用GB787-74型光电倍增管，其管脚和称号见以下图。了解光电三极管和红外发光管的性能、参数及运用。学会拟定、分析光电系统。掌握光电三极管接纳及放大电路，红外发光管脉冲调制光源的构成与调试。u 实验原理u 光电控制系统普通由发光部分、接纳部分和信号处置部分组成。

9、u 本实验采用振荡电路产生的方波信号对红外发光管进展调制，使之输出光脉冲信号，然后由光电三极管接纳，放大复原为电信号。u 方波脉冲发生器运用555时基集成电路；光电接纳电路采用光电三极管组成的放大电路，本实验采用3DU11型。 参考实验电路 发光电路由震荡电路和红外发光管HG413组成，电路图如图1所示。图1 发光电路148237651 R1 2.2K R2 51K C1 0.2F C2 0.01FR3 39 DVCC(+5V) HG413u时基集成块NE555输出震荡频率由外接电阻R1、R2及电容C1决议。u3端为输出端，R3是限流电阻，防止由于电流过大而烧坏红外发光管D，其输出信号为方波，

10、占空比为 。1211.43()fRR C112RRR接纳电路由光电三极管、放大驱动电路和负载组成。由于外接负载的不同，所采用的放大电路的方式也很多。假设负载电流较小，可采用晶体管作放大器，输出端直接带负载如图2。 图2 晶体管放大电路T13DU11D(BT201)T23DG6R151K R2 6.2K VCC +5Vu采用运算放大器作放大电路如图3该电路特点是：电路简单，调试方便，任务稳定可靠。但输出电流仍受运算放大器的最大输出电流限制。u假设负载电流较大，或者负载需求较高的电压驱动，那么可以采用继电器进展弱电强电转换如图4该电路经继电器后输出电流可较大。但其调试复杂，且电路的可靠性也由于采用

11、的元器件增多而有所下降。组装脉冲发生器电路，并进展调试，先取C1=10F。此时 此频率可由接纳部分发光二极管直观地显示出来，便于调试。组装光接纳电路，将光脉冲转换为电脉冲。 联调 361.432Hz2.2511010 10f了解相关器的原理。丈量相关器的输出特性。丈量相关器的抑制干扰才干与抑制白噪声才干。丈量相敏检波特性。u相关器由相敏检波器与低通滤波器组成，是锁定放大器的中心部件。锁定放大器中的相关器通常采用图1所示的方式，由一个开关式乘法器与低通滤波器组成。sin()AAVVtC0V0ViR1R0VAVB图1 锁定放大器中通常 采用的相关器41(sinsin3.)3BRRVtt相乘电路不是

12、采用模拟乘法器，而是采用开关电路。参考信号VB可以以为是以频率R的单位幅度方波。VA为输入信号，表示为VAVAsin(t+)。当R为信号。R时为噪声或干扰，VA、VB之间的相关差可以由锁定放大器参考通道的相移电路调理，求得图1中Vi和Vo为：式中：iABVVV0002120 1 2.100212002cos(21)1211 (21)cos()1 (21)ARnonRtR CnRR VntQVRnnR CQenR C 、 、12100(21)nRQtgnR C=0当=R时,图1各点的波形如图2所示。 注：图1中低通滤波器为反相输入，因此，输出直流电压与Vi反号，图2中为了更直观起见，画的低通滤波

13、器不倒相， Vo与Vi中的直流分量同号。 对2式讨论有以下结论： 时间常数， T1R0C0 当=R时， 输出直流电压与相位成cos关系。 奇次谐波能经过并抑制偶次谐波，传输函数和方波的频谱一样，阐明相关器是以参考信号频率为参数的方波匹配滤波器。因此，能在噪声中或干扰中检测和参考信号频率一样的方波或正弦波信号。输出Vo与f/fR呼应曲线如图3所示。012cosAoRVVR 1/31/51/71/91/111357911 VoffR 图3 Vo f/fR呼应曲线 曲线阐明在fR的各奇次谐波的呼应为基波的1/(2n+1)。 分开奇次谐波频率很快衰减，构成Q值很高的带通滤波器。图4 相关器输入为与参考

14、信号同频的 方波时它的输出直流电压与两者 的相位差成线性关系V0-1+190180-90-180假设输入信号为一恒定和参考方波频率一样的方波信号，那么相关器为相敏检波器，输出的直流电压和信号与参考信号两者的相位差成线性关系。 如图4所示，可以作鉴相器运用。等效噪声带宽 基波噪声带宽： 总等效噪声带宽： 式中T为低通滤波器的时间常数。1001122NfR CT2211816NNffTu相关器实验插件盒的相关器电原理框图如图5所示。由加法器、交流放大器、开关式乘法器PSD、低通滤波器、直流放大器、参考通道方波构成与驱动电路组成。 图5 相关器框图加法器 信号输入 噪声输入 面板控制信号输入1,10

15、,100 乘法器PSDPSD输出输出 面板控制面板控制 面板控制面板控制低通滤波器T=0.1s,1s,10s直流放大1,10,100直流输出直流输出加法器输出加法器输出 参考输入方波驱动电路相关器的PSD波形察看及输出电压丈量图6 相关器PSD波形察看及输出电压丈量框图多功能信号源正弦波输出正弦波输出相关器信号输入信号输入PSD输出输出参考输入参考输入输出输出交流、直流噪声电压表表交流输入交流输入频率计 输入输入宽带相移器输入输入 同相输出同相输出相位计信号输入信号输入 参考输入参考输入 示波器u 按图6所示用电缆或导线衔接；接通电源，预热二分钟，调理多功能信号源，使输出频率在10KHz左右。

16、u 调理宽带相移器的相移量察看PSD的输出波形。丈量相关器输出的直流电压与相关器输入信号对参考信号之间相位差之间的关系。u 把实测结果与实际公式 对比。式中Vo为相关器输出的直流电压，KAC为交流放大倍数，KDC为直流放大倍数，VA为输入信号的幅值，为参考信号与输入信号之间的相位差。2cosoACDCAVKKV相关器谐波呼应的丈量与察看 把上述实验衔接图略作如下改动，宽带相移器的输入信号由nf,f/n输出即n倍频或n分频送给 。多功能信号源功能“选择置分频。由于相关器的参考信号为输入信号的1n分频，即相关器的输入信号为参考信号的n倍频。先置分频数为1，由示波器察看PSD波形及丈量PSD输出直流

17、电压，调理相移器的相移，使输出直流电压最大，并察看示波器波形一样于全波整流波形，相位计丈量的相位差为0 ? ，记下上述数据。改动分频数n为2、3、4、5，对于某一“n值反复上述丈量。实测结果为：奇次谐波输出的直流呼应电压为基波的直流呼应电压的1/n，偶次谐波的输出直流呼应为0，PSD的输出波形如图7所示。 VA VO VR VPSDt ttt VA VO VR VPSDtttt VA VO VR VPSDtttt图7 相关器谐波呼应的各点波形对噪声的抑制与等效噪声带宽 白噪声电压与带宽有关。多功能信号源中的白噪声发生器是一宽带白噪声源。要确切丈量与计数噪声电压，必需求知噪声带宽，知噪声带宽可以

18、用高通，低通滤波器组成一个知通带宽度的带通滤波器来确定。对于二阶有源滤波器信号带宽fs与等效噪声带宽fn有以下关系式决议： 2nsff图8 对噪声的抑制与等效噪声带宽丈量框图多功能信号源正弦波输出正弦波输出示波器频率计同相输出同相输出直流输出输出高、低通滤波器输入输入输出输出宽带相移器输入输入相关器信号输入信号输入噪声输入噪声输入参考输入参考输入加法器输出加法器输出PSD输出输出Y1 Y2交流白噪声交流、直流、噪声电压表输入输入噪声输出噪声输出X-Y记录仪输入输入输入输入测试方框图如图8所示 u白噪声信号源经过高低通滤波器组成的带通滤波器的限制，使高通、低通滤波器的输出为知等效噪声带宽的噪声源

19、，输给相关器的噪声，白噪声电压的大小由交流、直流、噪声电压表丈量，在丈量白噪声电压时，给出的白噪声的均方根电压。相敏检波特性 实验连线及原理框图同图6。把多功能信号源的输出改成方波输出。任务频率选为250Hz其它频率都可以。输入方波信号为1000mV。相关器的参数选择：KAC=1，KDC=1，T1秒。 改动宽带相移器的相移量。由示波器察看“PSD输出波形，并丈量“相关器输出的直流电压。用相位计测出不同相移量与输出直流电压值。用坐标纸画出Vo曲线为直线。阐明输出直流电压与相移量成线性关系的相敏特性，测360并阐明周期性。信号源接头过多，频率计接线可不同时接，可先接频率计后记下频率，再接到其他点去

20、；宽带相移器的相位指示按键不一定准确，以输出直流电压值显示，并结合察看PSD输出的波形为准；倍频、分频输出，单点红点按下为板面指示数，多点按下为多点指示数的相加之和。倍频或分频后的相位能够发生改动，应结合PSD波形和直流输出进展调整；本实验中信号源输出频率置1KHz，相关器交流放大倍数置X10档，直流放大倍数置X10档；本实验中所给出的实验调件仅供参考，可以本人拟定条件丈量；了解同步积分器的原理。丈量同步积分器的输出特性。丈量同步积分器的抑制干扰才干与抑制白噪声才干。丈量同步积分器的过载电平。丈量同步积分器的等效噪声带宽。u同步积分器是一种同步滤波器，同步积分器能在噪声中提取微弱信号，具有很强

21、的抗干扰才干，和相关器一样是微弱信号检测仪器的关键部件之一。由于它输出为交流信号，因此，在运用上有时较相关器具有更多的优点。同步积分器最简单的方式如图1所示。 iVIRu设输入信号为：Iisin(t+)，两电容C分别由电子开关S以参考频率fR交替地接到电阻R上，对输入信号进展积分，可以求得同步积分器的输出电压为：u 式中X为单位开关函数，数学表达式为：u 略去小项，一级近似为：u u 式中 ：ooVV X411(sinsin3sin5)35RRRXttt2121220,1,2cos(21)2cos()12112(21)12(21)tRninRConRRntQRIQVenRCnRCn212(21

22、)nRQarctgRCnu由1，3式阐明，同步积分器输出为一方波信号，方波频率为R。方波幅度由3式决议。经过讨论有以下结论：u 时间常数：u 当 时，u 对图2所示的同步积分器，2ITRCR2coioRIVcos210iVRRV 奇次谐波能经过，并抑制偶次谐波，传输函数的频谱和方波的频谱一样，阐明同步积分器是以参考信号频率为参数的方波匹配滤波器。因此，能在噪声或干扰中检测和参考信号频率一样的方波或正弦波信号。假设输入信号为一幅值恒定和参考方波频率一样的方波信号，那么同步积分器输出方波的振幅和信号与参考信号两者的相位差成线性相敏关系。等效噪声带宽： 基波等效噪声带宽： 总等效噪声带宽： 114N

23、fRC218NNff输出波形的察看与输出电压的丈量 同步积分器输出波形察看与测试框图如图4。谐波呼应的察看与丈量 实验衔接原理框图见图5。u改动置分频数n，丈量对应的n次谐波呼应。由于参考信号频率的n次分频，即输入信号为参考信号的n次倍数，在每置一n值之后，调理相移器相移量使输出方波幅度最大，测出这时的输出电压大小，并用示波器察看输入输出波形。察看波形如图6所示。 抑制不相关信号的丈量及过载电平的丈量 不相关信号的测试框图如图7。对白噪声的抑制丈量 白噪声的抑制与等效噪声带宽的丈量框图如图8。相敏特性的丈量 相敏特性的测试框图如图9。同步积分器的相敏特性 如图10，同步积分器输入为恒幅方波时，

24、输出幅度与相位差成线性关系。了解多点信号平均器的原理。察看与丈量多点信号平均器的输出特性。察看与丈量多点信号平均器的抑制噪声力。周期信号的波形复现 多点信号平均器是一种信号处置安装，能从较强的干扰和噪声中提取信号，根据时域特性的取样平均来改善信噪比，复现被噪声淹没的信号波形，它适用于反复信号的波形复现，在信号出现之后依次取多个信号样品，并按固定频率反复取样，把每一个周期的许多取样信号，依次一一对应相加求平均，从而有效地改善了信噪比。对于多点信号平均器可以由数字存储器或模拟存储器来实现求和平均，但是原理一样。u模拟多点信号平均器的中心是门积分电路，门积分电路的单元电路如图1所示。u设控制开关的门

25、脉冲的周期为TR，门宽为Tg，引入单位幅度的门脉冲函数 fot，u 式中 为相对门宽， 为门脉冲的圆频率。u 波形如图2所示。 121sinonftnRTngRTT2RRTu门积分电路的门接通时，积分电阻为R，门断开时，积分电阻为。引入单位幅度的门脉冲函数后，积分电阻与开关能用等效积分电阻Re置换。u于是，门积分电路便可用图3表示，方式上与普通积分电路一样，只是电阻值是时间的函数。 eoRRftu积分电路的微分方程为：u u 设u 把式4代入式3，解微分方程得： cosiiVVt ooieedVVVdtCRtCRt22cos()cos()1 (/ )1 (/ )tRtoitVVeRCRC12c

26、os()1 sin()1 ()inVn R tnnRCn R22cos()cos()1 ()1 ()tRCn R teRCRCn Rn R2cos()1 ()tRCeRCn R 式中 根据物理意义简化式5，对于多点信号平均器， 通常有 假设被测信号中不含有直流项或不需求直流项， 还有 因此有：RCarctg()n R RCarctg()1n R RC1RC211()1 RCn R2111 ()RC 于是，式5简化为： 式8为门积分电路的传输函数。假设思索输入信号频率接近于直流，那么式5中只需前两项比较大，其它项可以忽略，于是 这个电路相当于电阻为R/，电容为C的低通RC滤波器。 122cos(

27、)1 sincos()1 ()1 ()tiRConVnn R tVenRCRCn Rn R22cos()cos()1()1()tRCoitVVeRCRC等效噪声带宽 门积分电路对不相关信号的抑制才干，可以由传输函数直接求得。而对白噪声的抑制才干用等效噪声带宽计算更简单。 根据定义等效噪声带宽可表示为： 是n次谐波相对于基波的归一化传输函数 将式11代入式10，得： 由此可知，fNn是、RC和n的函数。fNn2nNnfK dfKn2sin1sin21()nnKnRC f222sin ()2sin ()nNnfRC n基波处的等效噪声带宽总等效噪声带宽 有限带宽噪声 设低通滤波器的带宽 ，此滤波器

28、只能经过低于L次谐波的频率。这时总的等效噪声带宽为基波到第L次谐波处的等效噪声带宽之和。直流附近的等效噪声带宽 假设门积分电路的前级是直接耦合的直流放大器，就要思索直流或称零频附近的等效噪声带宽在数值上与基波处相等。12NfRC1NNnnfffLfNRi2221sin2sinLNnnfRCn2NDfRC信噪比的改善 对不相关信号的抑制才干 设某一不相关信号的频率为 ，并在第P次谐波附近，有 。 求得输出电压相对于输入电压的传输函数为： 通常有 故式17化简为 fdfPffdRd sin121()pdPKPRCf1.2/1PRC fd2KpRC fd对窄带噪声的抑制才干 输入端的白噪声带宽 ，对

29、于白噪声，输出端相对于输入端的信噪比改善为： 假设 用式15来表示，并以 代入式19那么： 当 时， 那么 只需当取样门很窄而输入白噪声又不太宽，可 保证 时，才干用式21表述信噪比的改善。 fLfNRi(/)/(/)/SNSNffNNiooifNofLfNRi(/)/(/)2sin ()22sin ()1LSNSNmoiLnnn 1L2sin ()22sin ()1LnLnn ( /)( /)S NomS Ni1fNifR对宽带白噪声的抑制才干 一个实践电路的输入级总有一定的带宽，等效噪声带宽不能够为无穷大。这里所指的白噪声是相对的。当被恢复的信号频率较低或取样门较宽，并且输入电路带宽较宽时，可以把噪声看成白噪声。 在数学上假设 ，可以为噪声是白噪声。这时， 输出相对于输入信噪比的改善为： 1fNTig( /)2 2( /)(1)24sinfS NNoiS NiRC 有 ，代入式22得： 式23阐明：在白噪声的条件下，门积分电路输出相对于输入的信噪比的改善，只与输入等效