新光电第五章第一、二节

1、第五章第五章 光电检测电路光电检测电路 大多数光电器件都需经过检测与转换电路才能实现光电信号的变换，通常光电检测电路由光电检测器件、光电检测器件、输入电路和前置放大器输入电路和前置放大器组成。 光电检测器件是实现光电转换的核心器件，是沟通光学量和电子系统的接口环节。 前置放大及耦合电路是电信号必须经过的一个重要环节 ，以实现对光电器件输出信号的精确检测。 输入电路是连接光电器件和前置放大及耦合电路的中间环节，它不仅为光电器件提供正常的电路工作条件，并且同时完成前置放大及耦合电路的电路匹配。第五章第五章 第一节第一节 光电检测电路的设计要求光电检测电路的设计要求第一节第一节 光电检测电路的设计要

2、求光电检测电路的设计要求1光电转换能力强光电转换能力强光电转换能力参数，常用光电灵敏度(或称传输系数、转换系数、比率等)，即单位输入光信号的变化量所引起的输出电信号的变化量。输入光信号在允许的非线性失真条件下应尽量有最佳的信号传输系数，如线性范围宽、斜率大等，从而可以得到最大功率、电压或电流输出。2动态响应速度快动态响应速度快应满足信号通道所要求的频率选择性或对瞬变信号的快 速响应。3信号检测能力强信号检测能力强信号检测能力，主要是指光电检测电路输出信号中有用信号成分的多少，常用信噪比、功率等参数表征。通常要求光电检测电路具有可靠检测所必需的信噪比或最小可检测信号功率。4稳定性、可靠性好稳定性

3、、可靠性好长期工作情况下应稳定、可靠。第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 主要是指各种典型光电器件输入电路的静态工作点设计等部分内容。 输入电路是连接光电器件和前置放大及耦合电路的中间环节。它的基本作用是为光电器件提供正常的电路工作条件，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。由于不同的光电器件具有不同的特性和技术指标，因此与之相配的输入电路也各不相同。输入电路的设计应根据光电器件输出电信号的性质、大小以及光学和器件的噪声电平等 初始条件，同时考虑输出电平和通频带等技术要求，最终确定电路的连接形式和工作参数。第五章第五章 第二节第二节

4、光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 一、光敏电阻电路的静态设计一、光敏电阻电路的静态设计 常用光敏电阻工作电路有简单式和电桥式两种。 (一一) 简单式工作电路简单式工作电路 图5-1a是一个最简单的光敏 电阻工作电路。这是一个线 性电路，建立负载线就可以 确定对应于输入光照度变化 的负载电阻上的输出信号。第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 光敏电阻工作时不能超过其最大耗散功率Pmax，(可查产品目录)，否则就易损坏。任何光照度下工作都必须满足： (5-1) 因Pmax数值一定，因此计算电路静态工作点的图解曲线如图5-1c所示。 Pmax曲线左下部

5、分为允许 工作区域。电路工作状态可以用解 析法按线性电路规律计算。 由图5-1a有： (5-3) (5-4)maxIUPbLLUIRRLLbLRUURR直线直线AB为图为图5-1中光敏电阻中光敏电阻R的的I-U关系曲线。关系曲线。第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 一定范围内光敏电阻阻值R不随外电压改变，仅取决于入射光照度E，并且有： (5-5) Gp：亮电导，Gp=SgE；Gd：暗电导；Sg：光电导灵敏度。 当输入光照度变化时，通过光敏电阻的变化R引起负载电流的变化I。将式(5-3)对R微分得： (5-6) R由式(5-5) ： 所以 (5-7) （5-

6、8） 结论：照射到光敏电阻上的光照度增加，负载电阻的电流和电压相应增大。pd1URIGGb2LU()IRRR 2bg2LR U()SIERR 2bgLL2LR U()SUIRRERR ESRGGESRgdpg22第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 微变等效电路如图5-1b所示。设入射到光敏电阻的辐射为正弦波，有： (5-9) E：入射光照度；：调制圆频率。 则流过光敏电阻的光电流I： (5-10) I0：电流的直流分量， I0 =SgE0U； Im/（1+j）：微变光电流的幅值， Im =SgEmU ； ：时间常数。jt0mEEE ejtm01IIIej第

7、五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 如果令 (5-11) 由式(5-11)可以看出，流过光敏电阻R的微变光电流i相当于电流源在RC并联电路中被C分流后流过电阻的电流。图中C是按光敏电阻属性引入的等效电容，C=/R；R为与直流辐射分量相对应的光电阻。 光敏电阻输入电路设计中，负载电阻RL和电源电压Ub是两个关键参数，需慎重选择。m1Iij第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 1负载电阻的确定负载电阻的确定 1) 恒流偏置。RLR时，负载电流IL由式(5-3)简化为： (5-12) 表明负载电流与光敏电阻值无关，且近似为常数。

8、 随入射光照度E的变化，负载电流的变化I由式(5-3)变为： （5-13） 即输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比。恒流偏置的电压信噪比较高，适用于高灵敏度测量。但由于RL很大，为使光敏电阻正常工作所需偏置电压很高，有时达100V以上，给使用带来不便。为降低电源电压，常采用晶体管作恒流器件来代替RL 。bLLUIR2bL()RISUER UccUoutRpRbReDzCUB晶体管恒流偏置电路图例三极管基极被稳压，三极管基极被稳压，Ib, Ic恒定，即光敏电阻恒定，即光敏电阻Rp达到恒流偏置目的。达到恒流偏置目的。此时，动态输出此时，动态输出Uout=Uc= IcRpIe

9、Rp = (UB/Re)Rp2SgE第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 2)恒功率偏置。将式(5-8)对RL微分，有 ： (5-14) 当RL =R时，表示负载匹配负载匹配： 此时探测器的输出功率最大，称它为匹配状态匹配状态。R为对应于某光照度的光敏电阻值，此时输出功率： (5-15)0Ld UdR2Lbg3LL()()RRRd UU SEdRRR2bLLL4UPI UR2bgLL2LR U()SUIRRERR 第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 3) 恒压偏置。当光敏电阻在较高频率下工作时，除选用高频响应较好的光敏电

10、阻外，负载电阻必须取较小值，否则时间常数较大，对高频响应不利。所以在较高频率下电路往往处于失配状态。当RL AB ，所以 U U 。 当Ub增大时，光敏电阻的损耗将增加， 靠近但不能超过允许功率曲线Pmax， 否则光敏电阻将损坏或性能下降。2bgLL2LR U()SUIRRERR 第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 电源电压Ub也受允许最大耗散功率Pmax限制： (5-18) 当RL确定后，电源电压Ub由上式限定，不能超过，否则工作时有可能超过Pmax 。另外，使用时也不应超过光敏电阻参数中给出的极限工作电压值。 如果为了电源设备简单，电路可以共用一个电源

11、Ub ，则负载电阻必须满足 (5-19) 此外，为得到大的电流变化，当RL= 0时， (5-20) 式中，R为光照度最大时的光敏电阻值。bmaxL4UPR2bLmax4URPRPUbmax 有时也从信噪比信噪比角度出发选择电源电压。光敏电阻信号电压随电源电压而增大。在低偏置电压下，光敏电阻噪声主要是热噪声。偏压升高时，流过光敏电阻的电流增加，电流噪声起主要作用，且噪声电压增加速度比信号电压增加速度快。故探测器S/N随偏置电压(或电流)的变化有一最佳值，见图5-2。光敏电阻的工作点应选在信噪比最 大的偏置电压(或电流)下最为合适。 从信噪比出发决定电源电压后，应 校验一下电压或功率是否超过该光

12、敏电阻的允许值，并要适当留有余 地。在实际工作中还应根据不同的 需要和工作情况，选择合适的电源 电压Ub和负载电阻RL 。第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 (二二) 电桥式工作电路电桥式工作电路 为减小光敏电阻受环境温度影响而引起灵敏度变化，常采用图5-3所示桥式工作电路。选择性能相同两个光敏电阻RT1和RT2作电桥测量臂电阻；普通电阻R1和R2作为补偿臂电阻。无光照时，调节补偿电阻R2 ，使电桥平衡，电桥输出信号U0=0。 第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测

13、电路的静态设计有光照时，光照度变化E引起电阻的改变为： (5-21)R01：光敏电阻RT1的暗电阻。此时电桥平衡破坏，开路电压U0为： （5-22） 弱光条件下R 1，式(5-38)可写成： (5-39) 上式表明，开路电压与入射光照度对数成正比。 通过给定入射光功率(光照度E0)下的开路电压值Uoc0 ，可求出其他入射光功率(光照度E)下的开路电压Uoc： 因此有 (5-40) 在这种状态下，对于较小入射光照度，开路电压输出变化较大，有利于弱光电信号检测。但开路电压随光照度的变化为非线性。在此状态下工作的光电池相当于电压源，与放大器相连时应采用高输入阻抗放大器或阻抗变换器。Poc0ln1IK

14、TUqIPocTT00lnlnISEUUUII0ococ0TT00lnlnSESEUUUUIIococ0T0lnEUUUE 3线性电压输出输出 当RL很小甚至接近于零时，电路工作在短路及线性电流放大状态。而当RL稍微增大，但小于临界负载电阻RS时，电路就处于线性电压输出状态，如图5-6 中的区。这种工作状态下， 串联的RL上能够得到与输入 光照度近似成正比的信号电 压。增大RL有助于提高电压， 但可能引起输出信号的非线 性畸变。第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 由式(5-35)有：

15、(5-41) 令最大线性允许光电流为IS，相应光照度为ES ，则可得到输出最大线性电压的临界负载电阻RS： (5-42) 对于交变信号情况，对应ES E的输入光照度变化，负载上的电压信号为： (5-43) 在线性关系要求不高情况下，可利用图解法找到图5-6中的OA曲线，简单地确定临界电阻RS的值。此时US大约为0.6 Uoc ，因此 (5-44) 式中， Uoc为对应ES时的开路电压。LTLLT/LP0P0(1)(1)UUI RUIII eII eSSSURSESSPSSSUEURIS EUSEEococSPS0.60.6UURISE第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电

16、路的静态设计 (二二)太阳能电池电路太阳能电池电路 光电池用作太阳电池可将太阳光能量直接转换成电能供给负载。此时需要最大输出功率和转换效率。单片光电池电压很低，输出电流很小，不能直接用作负载电源。一般将多个光电池串并联，组装成光电池组。 为保证在黑夜或弱光情况下 仍能正常供电，往往把光电 池组和蓄电池组装在一起使用， 通常把这种组合装置称为太阳 能电源，如图5-7a所示。 电路中的VD是为防止蓄电池 经光电池放电。第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计为使太阳电池输出的功率最大，必须选择合适的负载。在某种光照度下，使UI最大的负载电阻RM称为最佳负载。从图5-

17、6可看出，其工作点一般在特性曲线弯曲处。例如对于光照度E5在A点附近，因为A点的I和U都较大，积UI才有可能最大。不同光照度下，伏安特性弯曲位置各不相同，因而使P= UI为最大的RM也不同。 RM与光照度E的关系见图5-7b。要求负载随光照度随时改变很困难，只能根据具体情况选择一个较为合适的负载。 光电池作为测量元件使用时，后接有放大器，并不要求输出最大功率，重要的是输出电流或电压与光照度成比例变化。因此在选择负载电阻时，应尽可能选小一些，以利于线性变化及改善频率响应。 四、光敏二极管电路的静态设计四、光敏二极管电路的静态设计 (一一) 基本电路基本电路 图5-8a为反偏时光敏二极管基本输入电

18、路。光敏二极管产生的光电流(或信号电压)较小。图5-8b为等效电路。若忽略耦合C和反向结电阻Rg，总负载电阻RL= RL /ri，则输出电压： (5-45) 当放大器输入阻抗ri RL时， RL= RL，输出电压信号最大。 所以光敏二极管后接前放及耦合 电路应具有很高输入阻抗，如采 用运放，则应选FET型。第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计LLELELiiR rUi RiRr第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 (二二)计算方法计算方法1图解计算法图解计算法 用U（I）表示光敏二极管上的 电压，对于图5-8a所示的简单

19、电路可列出回路方程： (5-46) 式中， U（I）是非线性函数。 式(5-46)可以利用图解法计算，见图5-9，在伏安特性上画出负载线，其斜率为-1/ RL ，通过点U=Ub，与纵轴相交于Ub /RL点。由于串联回路中流过各元件电流相等，负载线和对应于输入光照度为E0时的器件伏安特性曲线的交点Q即为输入电路工作点。当输入光照度由E0改变E时，在RL上会产生的 U电压信号输出和的 I电流信号输出。 bLUU IIR bLU IUIR第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 例例5-1 电源电压Ub=9V，光敏二极管上的光照度在01501x之间变化。若光照度在此范

20、围内作正弦变化，要使输出交变电压的幅值为3V，求RL ，并作出负载线。 解解 光敏二极管暗电流为2A，光照度为1501x时的光电流 为17 A ，因此光电流变化量： 交变光电流的幅值为I/2=7.5 A ，因此负载电阻RL为： 通过N点(9，0)作一条与 U轴成=tan-11/R角的直线， 与轴交于M点，则MN即为 所求负载线，Q为电路工作点。172 A15AI 63400k7.5 10LURI 第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 2解析计算法解析计算法 主要利用折线化伏安特性，如图5-11所示。折线化特性曲线近似画法视伏安特性形状而异，通常是在转折点M处

21、将曲线分作两个区域。 图5-11a情形作直线与原曲线相切； 图5-l1b情形过转折点M和原点O连线，得到折线线性工作部分。 输入光照度变化范围Emin Emax为已知时，解析法计算输入电路工作状态按下列步骤进行： 1) 确定线性工作区域。由Emax伏安特性曲线弯曲处即可确定转折点M。相应转折电压和初始电导值可由图5-12a中所示关系决定。在线段MN上有： (5-47) 解得： 或： (5-48) 折线化伏安特性可以用U0、 G0 、G和S四个基本参数表示。 U0：转折电压，即曲线转折点M处的电压值； G0：初始电导， 表示非线性区近似直线的初始斜率； G为结间漏电导，是线性区内各平行直线的平均

22、斜率；S：器件的光电灵敏敏度。第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计000maxG UGUSEmax00SEUGGmax00SEGGU第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 2) 计算负载电阻和偏置电压。为保证最大线性输出条件，负载线和与Emax对应的伏安曲线的交点不能低于转折点M。设负载线通过M点，此时由图5-12a中的图示关系可得： 当已知Ub时，可计算出负载电导(阻) GL (RL)为： (5-49) (5-50)0L00bUUGGU0maxL0maxb0b00(1)USEGGSEGUUUGGb0LLmax0(1)11G

23、UGRGSEG第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 3) 计算输出电压幅度。由图5-12b可得，当输入光照度由Emin变化到Emax时，输出电压幅度为U= U max - U 0 ，其中U max和U 0可由图中M和H点的电流值计算得到。 H点：GL（ U b - U max）= GU max + SE min M点：GL（ U b - U 0）= GU 0 + SE max 所以 (5-51) 结论：电压幅度与输入光照度增量和光电灵敏度成正比，与结间漏电导和负载电导成反比。 maxminLLEEUSSGGGGLbminmaxLG USEUGGLbmax0L

24、G USEUGG解得：第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 4) 计算输出电流幅度。由图5-12b，输出电流幅度为： 将式(5-51)代人，可得： (5-52) 通常GLG，上式可简化为： (5-53) 5) 计算输出电功率。由功率关系P = I U 可得： (5-54)maxminLIIIUG maxminLL1/EEIUGSG G maxminIS EES E 22LLLS EPGUGGG第五章第五章 第二节第二节 光电检测电路的静态设计光电检测电路的静态设计 光敏晶体管与一般晶体管类似，差别为前者由光照度控制光电流，后者则由基极电流控制集电极电流。因此，只要用光敏晶体管的灵敏度S代替晶体管的电流放大系数，就可采用与晶体