第五章光电检测电路

第五章光电检测电路第一节光电检测电路的设计要求

第二节典型光电输入电路

第三节光电检测电路的带宽和频率特性

第四节光电检测系统的噪声与抑制

第五节前置放大及光耦合电路

第六节光电检测电路应用实例第一节光电检测电路的设计要求1.光电转换能力强

2.动态响应速度快

3.信号检测能力强

4.稳定性、可靠性好1.光电转换能力强将光信号转变为适合的电信号，是实现光电检测的先决条件。所以，光电转换能力的高低对整个光电检测系统具有至关重要的影响和作用。因此，具备较强的光电转换能力，是对光电检测电路的最基本要求。表示光电转换能力强弱的参数，通常采用光电灵敏度(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。2.动态响应速度快随着对检测系统与器件的要求不断提高，对检测系统每个环节动态响应的要求也随之提高。特别是在诸如光通信等领域，对光电器件以及光电检测电路的动态响应速度的要求甚至是第一位的。一般情况下，光电检测电路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，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、可靠性好光电检测电路在长期工作的情况下应该稳定、可靠，特别是在一些特殊场合下，对稳定性、可靠性的要求会更高。光电检测系统光电检测系统分类主动系统/被动系统(按信息光源分)红外系统/可见光系统(按光源波长分)红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器可见光系统多用于民用点探测/面探测系统(按接受系统分)用单元探测器接受目标的总辐射功率用面接受元件测量目标的光强分布模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分)主动系统通过信息调制光源,或者光源发射的光受被测物体调制.返回被动系统光信号来自被测物体的自发辐射返回直接检测/相干检测直接检测:

无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的光强携带信息。光电探测器直接把接受到的光强的变化转换为电信号的变化，然后，用解调电路检出所携带的信息。相干检测:

利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。因为用光波的相干原理，只能用相干光。类似于无线电外茶检测，故又称光外差检测。光电检测系统的信噪比信噪比：与灵敏度相关误码率：

“0”和“1”出现错误的概率

直接检测系统的基本工作原理将待测光信号直接入射到光探测器光敏面，光探测器响应于光辐射强度输出相应的电流或电压。光探测器的平方律特性光电流正比于光电场振幅的平方输出的电功率正比于入射光功率的平方系统的基本特性信噪比：表征检测系统的灵敏度

PS:输入信号光功率,Pn:

噪声功率

检测距离：是系统灵敏度的另外一种评价指标，与发射和接收系统的大气特性以及目标的反射特性有关．直接检测系统的视场角表征系统能“观察”到的空间范围系统的视场角越大越好．但是增大检测器面积使系统的噪声增大；减小焦距使系统的相对孔径加大．系统的通频带宽度检测系统要求Δf保持原由信号的调制信息．确定系统频带宽度的几种方法：等效矩形带宽频谱曲线下降３dB的带宽包含９０％能量的带宽频带宽度越宽，通过信号的能量越大，系统的噪声功率也越大．fS为信号光波，fL为本机振荡光波，这两束相干光入射到探测器表面进行混频，形成相干光场。经探测器变换后，输出信号中包含的差频信号，故又称相干探测。

光外差检测基本原理设入射到探测器上的信号光场为：

本机振荡光场为：

入射到探测器上的总光场为：

；:量子效率；:光子能量；:差频。式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于1／2。第三项（和频项）是余弦函数的平均值为零。而第四项（差频项）相对光频而言，频率要低得多。当差频低于光探测器的截止频率时，光探测器就有频率为的光电流输出。

光探测器输出的光电流光外差检测的特性

可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频率调制及相位调制的光信号，即在光探测器输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位等全部信息；转换效率高：转换增益可高达１０７－１０８，对微弱信号的探测有利．光外差检测的特性

可获得全部信息：不仅可探测振幅和强度调制的光信号，还可探测频率调制及相位调制的光信号，即在光探测器输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位等全部信息。转换效率高：转换增益可高达１０７－１０８，对微弱信号的探测有利。差频信号是由具有恒定频率（近于单频）和恒定相位的相干光混频得到的，只有激光才能实现外差探测。

光外差检测的特性良好的滤波性能

取差频信号为信息处理器的通频带，可以过滤频带外的杂散光；而直接探测中，所有的杂散光都被接收信噪比损失小检测灵敏度高例如：量子效率为１，Δf为１Hz，则外差检测的灵敏度极限为１个光子系统对探测器性能的要求光外差检测对探测器的要求比直接检测高响应频带宽均匀性好工作温度高

第二节典型光电输入电路一、光敏电阻输入电路

二、光电倍增管输入电路

三、光电池输入电路

四、光敏二极管输入电路

五、光敏晶体管输入电路

六、光电器件与运算放大器的连接

七、弱光检测电路5.1信号调理电路

255.1.1放大电路1、几个基本概念等效电路共模电压、差模电压（常模电压）差模放大倍数、共模放大倍数共模抑制比265.1.1放大电路（续）2、集成运算放大器3、比例放大电路275.1.1放大电路（续）285.1.1放大电路（续）4、仪用放大电路295.1.2滤波电路1、基本概念通带增益A0谐振频率f0、截至频率fp

频带宽度BW品质因素Q、阻尼系数ξ305.1.2滤波电路

（续）2、无源滤波器和有源滤波器315.1.2滤波电路

（续）3、二阶RC有源低通滤波器325.1.2滤波电路

（续）3、二阶RC有源低通滤波器335.1.2滤波电路

（续）4、其它有源滤波器的设计345.1.3调制与解调电路1、调制信号355.1.3调制与解调电路（续）2、解调电路5.2信号变换技术

365.2.1测量电桥1、基本概念特点：灵敏度高线性好测量范围宽容易实现温度补偿分类：直流电桥

交流电桥电阻应变式测力称重传感器电感式、差动变压器式、电容式传感器375.2.1测量电桥（续）(1)(2)(3)(4)(5)385.2.1测量电桥（续）2、电桥放大器电源浮置的电桥放大器差分输入式电桥放大器395.2.2电压－电流转换为了减少长线传输过程中线路电阻和负载电阻的影响，可以将直流电压变换成直流电流后进行传输。信号制式：被测量电压→4～20mA。405.2.3电压－频率转换

电压－频率转换将模拟输入电压转换成与之成正比的振荡频率。可提高信号传输的抗干扰能力，还可节省系统接口资源。415.2.4模拟－数字转换

1、采样与量化425.2.4模拟－数字转换（续）

2、双积分式A/D转换435.2.4模拟－数字转换（续）

3、逐次比较式A/D转换445.2.4模拟－数字转换（续）

3、逐次比较式A/D转换455.2.4模拟－数字转换（续）

4、增量调制型A/D转换465.3噪声及干扰抑制技术

噪声及干扰的来源：自然界的雷电、无线电发射装置发出的电磁波、生产现场的电弧、高压发电、电火花加工产生的电磁干扰、电源产生的工频干扰等噪声及干扰的危害：降低检测装置的分辨力和灵敏度，或引起放大器饱和而进入非线性区，甚至使整个检测系统工作失常抗干扰措施：1、接地技术2、屏蔽技术3、平衡技术4、调制解调技术5、电源退耦、滤波技术6、隔离技术7、看门狗技术475.3.1干扰的传播途径

1、静电耦合

2、电磁耦合

485.3.1干扰的传播途径（续）

3、电磁辐射

4、共阻抗耦合

495.3.2屏蔽技术

505.2.3接地技术

1、采样与量化515.2.3接地技术（续）1、采样与量化同相比例放大Au=1十Ri／R2

R1-+A+-USRSR2UFU0输入阻抗增益

ri+=ri(1十AF)

ri——运放的开环输入阻抗A——运放的开环增益F——电路的反馈系数例：某放大器ri

＝104Ω开环增益为104

，F＝0.1（闭环增益为10），则放大器的闭环输入阻抗为107Ω。反相比例放大Au=–Rf/R1

USS+-U0-+AR1R2Rf限制带宽增益特点：性能稳定，但输入阻抗较低注意：在实际电路中，由于电阻的最大值不能超过10MΩ，R如果要提高反相放大器的输入阻抗，电路的增益要受到限制。电流电压变换放大U0=―Rf·is

U0-+R1R2Rfi1ioAIS增益放大电路的精度取决于Rf的稳定性差动放大U0-+AR1R1R2R2UCUS/2US/2U－U+U1U2++++----

扩大输入共模电压范围增益特点：提高电路共模抑制比，减小温度漂移。自举型高输入阻抗放大器I1R2R1UiA1U0A2RpR1RpR2R2IIiU01-++-A1斩波稳零放大器1.闭环状态斩波稳零放大器

Ф1Ф200T1T1T2T2A1OSC+－+_A2+_UiC1S1S3S2Ф1Ф2①②②①A3_+UoC2②①图中开关S2和电容C1以及S3、C2、A3分别构成两个采样—保持电路。第一个采样—保持电路用来对放大器Al进行动态校零；第二个采样—保持电路用来维持输出电压的连续性。内部时钟CP由振荡器(OSC)提供，若在时钟。0~T1时间内，开关S1、S2、S3，停在①端位置，即S2接通、S1、S3断开，相应电路状态如下图。电路的工作分两个阶段，由时钟控制开关完成。第一阶段为误差检测与寄存第二阶段为动态校零和放大放大器工作状态之一A2+_A1+_UOS1UC1UOS2UO1C1+_UC2UOA3_+C2+_在此时间内电容Cl记存了Al的失调电压Uos1，此段时间是放大器误差检测和寄存阶段。由于此时A3与A1之间被切断(S3断开)，所以A3的输出电压UO为U0=Uc2

C2上记有的电压Uc2，是前一时刻放大器A1的输出电压。在时钟T1～T2时间内，开关S1、S2、S3停留在②端位置上，即S1、S3接通、S2断开，相应的电路状态如图放大器工作状态之二A1+_A3_+Ui－+－+++__Uos1Uc1Uc2Uo1C1C2U0这时，Al同相端与输入信号Ui接通，由于A1的反相端还保存着前一时刻的失调电压Uc1＝Uos1，所以这时A1的输出电压Uol为上式表明，A1的输出电压不受放大器失调电压的影响，只与输入信号电压有关。因此，此段工作时间称为“动态校零和放大输入信号”的工作阶段。这时总输出电压Uo为当时钟控制开关再回到①端位置时，Uc2保持不变，放大器A3(接成跟随器工作)继续以A1vUi的幅值向外输出，保证了输出电压的连续性。开关的反复通断，Al的漂移不断被校正，这就是动态校零的工作原理。开关S1、S2、S3一般用MOSFET完成。2.开环状态斩波稳零放大器(失调误差逐级存储放大器)开环状态斩波稳零放大器原理图+_A2+_A1UiUosUo1UcU01’S1S2CU0当开关S1、S2都接地，即开关处于图示位置时，放大器输入端对地短路，输出失调电压Uoff使电容器C两端充电至Uc=Uoff。Uoff为Uoff=A1dUos

电容C上存储的误差信号为放大器输出失调电压，电容器C又称为记忆电容器。A1d为A1放大器的开环电压增益。当开关S2断开，S1接通输入信号Ui时，放大器输出电压U0为输出到下一级的电压可见，输出失调电压完全抵消。即失调电压被存储在输出回路的串接电容两端，利用此电压自行抵消放大器输出的失调，达到稳零的目的。由于误差采样期间放大器处于开环运用，必须防止放大器被失调电压驱入饱和状态。因此，每级的增益不能太高，一般低于100倍。为获得足够高的总增益，需要多级放大器串接，从而构成逐级采样存储MOS集成运放，如图。UoUi+_A1+_A2+_A3

S1S2S3S4C1C2Cn电路工作的两个阶段由时钟控制MOSFET开关完成。以上分析建立在下一级Ri无穷大、Ci为零的理想条件下。如果不满足条件，则由于输入电阻引起的电流以及由于输入电容引起的电荷再分布，都会使即失调电压不能被完全抵消。此外，时钟控制脉冲经分布电容耦合到MOS管栅极，也将引入失调电压。实验表明，采用斩波稳零后，总失调电压可减小两个数量级，且温度稳定性很好。在实际电路中，采用差动式失调逐级存储斩波稳零放大器，可进一步改善失调和漂移，这种电路常见于大规模MOS模拟集成电路之中，如用作A／D(模／数)转换器或比较器。仪用放大器测量放大器由两级组成，两个对称的同相放大器构成第一级，第二级为差动放大器——减法器-+A3-+A1-+A2R4R6R7R5R2R1RGV1V2V4V5V3V6V0IG失调参数的影响

+-A3-+A2+-A1R1⊿V2⊿V1RGR2=R1R4R4R5R5⊿V0⊿V3假设由三运放失调电压VOS及失调电流IOS所引起的误差电压折算到各运放输入端的值分别为ΔV1、ΔV2和ΔV3,误差电压极性如图。假设输入信号为零，则输出误差电压为：若R4=R5

图示极性的ΔV1和ΔV2所引起的输入误差是相互抵消的。若运放A1和A2的参数匹配，则失调误差大为减小。ΔV3折算到放大器输入端的值为2ΔV3/Af1，所以等效失调参数很小，即对运放A3的失调参数要求可降低些。A1VoR11R1A3R8Vi2R7R6Vi1R9R10A2R2R3R4R5RW氖泡NL222kNL122k氖泡10k10k2k22k22k22k22k2k9k10k图为用于人体心电信号检测的实用三运放电路。为了避免外科手术过程中可能存在的高电压进入放大器造成损坏，图中使用了两个微型的氖灯NL1、NL1，作为电压限幅器。微型的氖灯价廉且具有对称性，当两端的电压低于击穿电压时其电阻接近于无穷大，所以它对电路没有负载影响。一旦两端的电压超过其击穿电压(一般为60V)，则氖灯迅速导通(击穿后，氖灯本身呈负阻特性)，使其两端的电压降低接近于零伏，从而保护了放大器。图中电位器RW用于调整电阻的比例使得电路的共模抑制比最大。调试电路是，在两输入端加载一个1V左右的信号(一般为50Hz)，调整电位器RW使电路的输出最小，即共模电压增益最小，从而共模抑制比最大。如果电路中有需要调整的参数，通常是电阻阻值（有时也需要调整电容值），把要调整的参数分成两部分：固定部分和可调整部分。在一般的要求时，固定部分的取值为该参数总的标称值的90%，可变部分为20%。在要求比较高时，固定部分的取值为该参数总的标称值的99%，可变部分为2%。隔离放大电路指前级放大器与后级放大器之间没有电的联系，而是利用光或磁来耦合信号。iFiOiFiO()iFiOceiFiOec()硅光敏二极管：传输线性良好和线性范围宽，传输增益最小；硅光敏三极管：有一定传输增益，但小电流与大电流增益严重不一致，传输线性较差；达林顿型：由于经过两次电流放大，故传输增益最大，但传输线性最差。一般使用硅光敏三极管或达林顿型光电耦合器作模拟信号传输时，应合理地选择工作点，并将其工作范围限制在近似的线性传输区。在要求低失真和宽频带的高性能传输时，宜用光敏二极管型，这时可采用外接放大器来弥补其传输增益低的缺点。注意：光电隔离放大器的前、后级之间不能有任何电的连接。即使是“地线”也不能连接在一起，前、后级也不能共用电源，否则就失去了隔离的意义。一般前级放大器可以采用电池供电，或采用DC/DC变换器供电。VCCViA2RW1R1OE1VCCVOECCECCRW2RW3RW4R2R3OE2A2VCCVCCA1ViR2R1A2R3TOEVOE第四节光电检测系统的噪声与抑制一、噪声的类型

二、噪声的等效处理

三、典型光电检测电路的噪声估算一、噪声的类型1.热噪声

2.散粒噪声

3.产生-复合噪声

4.1/f噪声

5.温度噪声1.热噪声热噪声是由耗散元件中电荷载流子的无规则热运动引起的，任何有电阻的材料都有热噪声。当电阻处于环境温度高于绝对零度的条件下，由于内部杂乱无章的自由电子的热运动，形成起伏变化的噪声电流，其大小与极性均在随机变化，其长时间的平均值等于零。但是在短时间间隔内，这些电流的随机起伏就形成噪声电流。由于载流子的均方速度与热力学温度成正比，噪声电流随温度增高而增加，因此称为热噪声。2.散粒噪声光电探测器的散粒噪声是由于载流子的微粒性引起的。这是一种在光电子发射器件和光伏型器件中出现的噪声，如光电倍增管的光阴极和二次电子发射；光伏器件中穿过P-N结的载流子涨落等。3.产生-复合噪声光电导探测器因光或热激发产生载流子和载流子复合这两个随机性过程，引起电流随机起伏形成产生-复合噪声。这是半导体辐射探测器件中的一种主要噪声。4.1/f噪声1/f噪声又称闪烁噪声，它也是半导体辐射探测器件中的一种基本噪声，通常是由元器件中存在局部缺陷或有微量杂质所引起的。5.温度噪声无辐射存在时，探测器在某一平均温度T0附近呈现一个小的起伏，这种温度起伏引起的探测器输出起伏称为温度噪声。这是热敏探测器件的主要噪声，它限制了热敏探测器所能探测的最小辐射能量。第五节前置放大及光耦合电路一、前置放大电路的设计

二、光耦合电路的设计一、前置放大电路的设计图5-40探测器与偏置

电路的等效

a)恒压源b)恒流源(一)前置放大器的设计步骤1)测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻Rs。

2)从噪声匹配原则出发，选择前置放大器第一级的管型。

3)在管型选定之后，第一、第二级应采用噪声尽可能低的器件，按照最佳源电阻的原则来确定管子的工作点，并进行工作频率、带宽等参量的计算及选择。(二)放大器频率及带宽的确定1)根据所采用的光电探测器的噪声谱和选定放大器的典型噪声谱，确定工作频率。

2)光电检测系统中按照白噪声的特点，工作频率选定后，应尽可能减小电路的频带宽度。

3)当信号频率在一定范围内变化，不能选用固定频率的窄带滤波方式工作时，除确定必要的窄带外，可采用设计选通积分器的方法来抑制噪声。

4)在某些系统如脉冲系统中，为保持信号的波形，必须采用频带宽度较宽的处理电路，电路系统的频率特性由滤波器带宽决定。图5-41探测器噪声的频率特性

a)典型探测器的噪声谱b)晶体管噪声系数的频率特性1.放大器的噪声模型图5-42放大器噪声模型

—信号源电阻—信号源电阻的热噪声电压

—信号源电压—放大器输入阻抗1.输入电路设计图5-44常用光耦合器输入电路

a)高电平驱动b)低电平驱动c)增大电流驱动2.输出电路设计图5-45常用光耦合器输出电路

a)同相输出形式b)反相输出形式c)电流放大输出能力目标：能够选用红外光电传感器来设计并实现光电自动控制电路实践任务：1）光电传感器的选型

2）设计光电自动控制功能的电路

3）制作光电自动控制功能的电路自动取款机光控提醒电路的设计与制作第六节光电检测电路应用实例耳畔传来动听的声音：“您好，欢迎使用……当你受到非法人身侵犯时，请拨打110.”思考：如何实现？一、光电传感器基础知识1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。

用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。

机电工程分院光电效应的分类：

1）在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。

2）在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。

3）在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。我们选用的为内光电效应的传感器。名称图形光谱特性工作方式光敏电阻可见光电阻变化光