光电探测器偏置电路

光电探测器偏置电路第一页，共五十六页，2022年，8月28日4.2 光电探测器的偏置电路偏置：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。目的：取出光电信号。偏置电路的设计依据：器件的伏安特性同晶体管加电源和偏置电路选取适当工作点的情况类似。第二页，共五十六页，2022年，8月28日光电导探测器（PC）的偏置电路光伏探测器（PV）的偏置电路主要内容第三页，共五十六页，2022年，8月28日探测器的伏安特性分三种类型：可变电阻型光生电势型

恒流型PC器件电阻型热探测器（加偏置，不分正负）

PV器件，PMT（加反向偏置）

光电池（不加偏置）

第四页，共五十六页，2022年，8月28日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：设光照射在探测器上，其电阻值变化为ΔRS，则电流变化即信号电流iS为：RS:光敏电阻；RL：偏置电阻第五页，共五十六页，2022年，8月28日输出点A的直流电压：信号电压为：分析：a)VS与VB的关系

VB↑→VS↑

但太大,功耗Pm↑——损坏器件

第六页，共五十六页，2022年，8月28日例：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,平方厘米，RL，RS为电阻单位，VBmax为V单位第七页，共五十六页，2022年，8月28日b）VS与RL的关系令上式=0则时，有极大值：这时叫功率匹配,信号电压最大。第八页，共五十六页，2022年，8月28日c)最佳偏置条件的确定

在偏置电流Il一定条件下,由上式可知：Rl↑→Vs↑。但实际上当负载电阻RL↑时,为保持固定的Il,应该VB↑第九页，共五十六页，2022年，8月28日二、光电导探测器三种特殊偏置方式及其特点分析1.三种常用的偏置方式

1）恒流偏置当选定RL>>Rs

，则与Rs无关。即在工作过程中流过探测器的电流是一恒定电流。第十页，共五十六页，2022年，8月28日第十一页，共五十六页，2022年，8月28日当选RL<<Rs，探测器上的偏置电压与Rs无关，基本恒定。2）恒压偏置流过探测器上的偏流不恒定,随Rs变化。第十二页，共五十六页，2022年，8月28日第十三页，共五十六页，2022年，8月28日3）恒功率偏置（匹配偏置）此时，RL=Rs，探测器上的偏置功率： 与上两种偏置比较，当Rs变化时探测器上的偏置功率的变化最小。实际上,往往选Rs的平均值，而该偏置功率变化不大，故命名为恒功率偏置。第十四页，共五十六页，2022年，8月28日2.三种偏置情况的比较从可以获得的响应度来考虑，则恒流偏置优于匹配偏置，匹配偏置又优于恒压偏置。由于恒流偏置通常需要较高的偏置电压源，在实用中可以采取匹配偏置而获得与恒流偏置相当的响应度。第十五页，共五十六页，2022年，8月28日2.三种偏置情况的比较从放大器输出的信噪比考虑，在以上三种偏置状态的偏置电流相等的情况下：当探侧器与放大器系统的噪声以探测器的非热噪声为主时，输出的S/N与偏置状态无关；当系统以探测器的热噪声为主时，恒流偏置可以获得的S/N最大，匹配偏置次之，恒压偏置最小。第十六页，共五十六页，2022年，8月28日4.2.2光伏探测器的偏置一、PV器件静态工作点的确定二、光伏探测器的等效电路三、PV器件静态工作状态的设计反偏下光电二极管的偏置电路分析与计算光生电势型探测电路的静态计算四、PV器件动态工作状态设计光电二极管交流探测电路光电池交流检测电路第十七页，共五十六页，2022年，8月28日PV器件的回顾1）零偏置或正向偏置：工作在伏安特性的第四象限，多用于输出功率。也可以用于探测。2）反向偏置：工作在第三象限，多用于探测。PV器件零偏置时1/f噪声最小，可以获得较高的S/N。第十八页，共五十六页，2022年，8月28日一.PV器件静态工作点的确定直流负载线方程：交流

负载线方程：第十九页，共五十六页，2022年，8月28日二、光伏探测器的等效电路1.直流等效电路工作在直流状态时流过探测器的电流ID：光生电流Iph；暗电流Id（包括结电流Id1和结表面漏电流Id2）第二十页，共五十六页，2022年，8月28日光电流结电流漏电流流过探测器的电流第二十一页，共五十六页，2022年，8月28日2.交流等效电路光子流速率微变引起的电流变化：其中：交变光电流动态电导第二十二页，共五十六页，2022年，8月28日连接前放的交流等效电路第二十三页，共五十六页，2022年，8月28日随时间缓慢变化的光信号其频谱分布处于低频段，通常延伸到零频。相应的探测电路多采用直流探测型或调制探测型。对于直流探测型的输入电路，主要的设计工作是电路静态工作点的计算。

三.PV器件静态工作状态的设计第二十四页，共五十六页，2022年，8月28日（一）反偏下光电二极管的偏置电路分析与计算

1.图解计算法

基本电路PDbVbRV第二十五页，共五十六页，2022年，8月28日TN线的确定：当I＝0时，V=Vb（N点）；V=0（T点）连接NT，称为负载线，因为它与电压轴的夹角决定了负载电阻RL

。第二十六页，共五十六页，2022年，8月28日由于串联回路中流过多元件的电流相等，负载线和它的伏安特性曲线的交点Q即为输入电路的静态工作点。当输入光通量由Φ0作±ΔΦ改变时，在负载电阻上会产生±ΔV电压输出和±ΔIQ的电流信号输出。第二十七页，共五十六页，2022年，8月28日利用图解法可定性的求出电路参数RL和Vb对输出信号的影响。

由图可知:随Rb增大，信号电压变大，超过M点产生畸变。M

第二十八页，共五十六页，2022年，8月28日同时，随Vb↑线性改善。但功耗加大，过大的Vb会引起PD反向击穿。在利用图解法确定输入电路的RL和Vb时，应根据输入光通量的变化范围和输出信号的幅度要求，使负载线稍高于转折M，并保证Vb不大于最高工作电压Vmax。第二十九页，共五十六页，2022年，8月28日例：用2DU测缓变辐射通量。已知2DU的电流灵敏度，在测光范围中最大辐射通量100μW,伏安特性曲线的拐点电压VM=10V，若电源电压Vb=15V。

要求负载线建立在线性区内。求：（1）保证输出电压最大时的Rbmax=? （2）辐射通量变化10μW时，输出电压的变化量。

第三十页，共五十六页，2022年，8月28日解：依题画出如下简图

(1)为保证2DU工作于线性区且Rb最大，过拐点作负载线，则:(2)输出电压:第三十一页，共五十六页，2022年，8月28日

折线化伏安特性可用下列参数确定：

A.转折电压V0：对应曲线转折点处的电压值。B.初始电导G0：相当于非线性部分直线的初始斜率。C.结间漏电导G：是线性工作区间内个平行直线的平均斜率。D.光电灵敏度

S2.解析法第三十二页，共五十六页，2022年，8月28日在输入光通量的变化范围Φmin—Φmax为已知条件下，用解析法计算输入电路的工作状态可按下列步骤进行。1）确定线性工作区域由转折点M确定线性工作区域，相应的转折电压或初始电导值G0中的几何关系决定。在MV0上有即第三十三页，共五十六页，2022年，8月28日2）计算偏置电阻Rb、偏压Vb。为保证最大线性输出条件，负载线和由Φmax对应的伏安曲线的交点不能低于M点。

G0V0=Gb(Vb-V0)设负载线拐点M点，由图可得第三十四页，共五十六页，2022年，8月28日当Vb已知时，则：当Rb已知时，有第三十五页，共五十六页，2022年，8月28日3）计算输出电压幅度

由图可知：在ΔΦ时，其中Vmax和V0可由图中M和H点的电流值计算得到。

由H点：由M点：上式表明输出电压幅度与ΔΦ、S成正比，与结间漏电导G和G0成反比。第三十六页，共五十六页，2022年，8月28日4）计算输出电流幅度由图可知：

通常Gb>>G，上式简化为ΔI=SΔΦ5）计算输出功率

第三十七页，共五十六页，2022年，8月28日（二）光生电势型探测电路的静态计算

Id：与温度有关的二极管结电流

光电流开路电压电流－电压特性方程短路电流第三十八页，共五十六页，2022年，8月28日当有则：得：室温时T=300K，则：利用上式，可在已知Φ、Voc时，计算另一Φˊ下的Vocˊ第三十九页，共五十六页，2022年，8月28日1.无偏置的光电池电路：

由伏安曲线，对于给定的Φ0，只要选定RL，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IQ和VQ即为RL上的输出值。由图知：对应相同的ΔΦ=Φ1―Φ2，当RL<RLS（临界电阻）时，IQ、VQ与ΔΦ呈线性；当RL>RLS时，呈非线性，在检测电路中往往希望线性。第四十页，共五十六页，2022年，8月28日计算临界电阻RLS由给定的Φmax，利用算出VOC。取交于S点，得到临界负载RLS,即临界电阻RLS上的Vmax为则:第四十一页，共五十六页，2022年，8月28日线性区工作分两种情况：1）电流放大：要求RL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Φ有良好的线性关系2）电压放大：在保持良好线性情况下，有最大的电压输出，负载线可接近临界负载线，则输出电压为:第四十二页，共五十六页，2022年，8月28日非线性区: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Φ的对数成正比。对于较小的Φ，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。第四十三页，共五十六页，2022年，8月28日例:光电池在光照度为100lx时，开路电压为VOC=180mV,ISC=80μA，求在由50lx增加到200lx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：（1）计算200lx下的开路电压

（2）计算线性区域内光电池的电流响应度

（3）计算无偏压时最佳电阻和输出电压变化量

第四十四页，共五十六页，2022年，8月28日四、PV器件动态工作状态设计交变光信号是指快速变化或各类型调制光信号。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。

第四十五页，共五十六页，2022年，8月28日输入电路动态工作点的计算交变电路中首先建立直流工作点以获得最大的输出。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。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。

第四十六页，共五十六页，2022年，8月28日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。1）计算在已知偏压Vb和光照度E时，负载电阻RL应取多大才能获得最大功率和线性电压输出。设入射照度变化：光照度变化范围:在信号频带范围内，耦合电容C可以认为是短路。等效交流负载电阻：第四十七页，共五十六页，2022年，8月28日假定交流负载线为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。为了充分利用器件的线性区间，对应的负载线应通过特性曲线的转折点M。第四十八页，共五十六页，2022年，8月28日2）计算RL上的输出功率PL和电压值Vm交流负载上的输出功率为:Vm

、Im与Em对应的幅值负载电阻RL上输出功