光电检测练习题

光电倍增管的输入（供电）电路

1电阻链分压型供电电路

光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点，使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为首选的光电探测器。光电倍增管的供电电路种类很多，可以根据应用的情况设计出各具特色的供电电路。本节介绍最常用的电阻分压式供电电路。如图所示为典型光电倍增管的电阻分压式供电电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10级倍增极提供电压UDD。考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的电子流按放大倍率分布，其中，阳极电流Ia最大。因此，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当流过分压电阻的电流IR远远大于Ia时，即IR＞＞

Ia时，流过各分压电阻Ri的电流近似相等。工程上常设计IR大于等于10倍的Ia电流。

IR≥10Ia选择太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高，导致性能的降低，以至于温升太高而无法工作。电阻链的设计

R=Ubb/IR各分压电阻Ri为而R1应为R1=1.5Ri电源电压极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数δ，或管子的增益G。因此，根据增益G的要求可以设计出极间供电电压UDD与电源电压Ubb。由可以计算出UDD与Ubb。选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值R

末极的并联电容

当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。电容C1、C2与C3的计算公式为式中N为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，τ为脉冲的持续时间，UDD为极间电压，L为增益稳定度的百分数。

2电源电压的稳定度

可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度的关系

对锑化铯倍增极

由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkφvRL，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关

对银镁合金倍增极

在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电压稳定度为1%时，则要求电源电压稳定度应高于0.1%。

例1设入射到PMT上的最大光通量为φv=12×10-6lm，当采用GDB-235型倍增管为光电探测器，已知它的倍增级数为8级，阴极为SbCs材料，倍增极也为SbCs材料，SK=40μA/lm，若要求入射光通量在0.6×10-6lm时的输出电压幅度不低于0.2V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？根据题目对输出电压幅度的要求和PMT的噪声特性，可以选择阳极电阻Ra=82kΩ，阳极电流应不小于Iamin，因此解(1)首先计算供电电源的电压Iamin=UO/Ra=0.2V/82kΩ=2.439μA入射光通量为0.6×10-6lm时的阴极电流为

IK=SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA此时，PMT的增益G应为SbCs倍增极材料的增益δ与极间电压UDD有总电源电压Ubb为

Ubb=（N+1.5）UDD=741V

N=8，每一级的增益δ=4.227

(2)计算偏置电路电阻链的阻值偏置电路采用如图所示的供电电路，设流过电阻链的电流为IRi，流过阳极电阻Ra的最大电流为Iam=GSKφvm=1.02×105×40×10-6×12×10-6=48.96μA取IRi≥10Iam，则

IRi=500μA因此，电阻链的阻值Ri=UDD/IRi=156kΩ取Ri=120kΩ，R1=1.5Ri=180kΩ。(3)输出信号电压的稳定度最高为

例4-2如果GDB-235的阳极最大输出电流为2mA，试问阴极面上的入射光通量不能超过多少lm？解由于Iam=GSKφVm

故阴极面上的入射光通量不能超过

运算放大器输出PMTVRfCf输出的电压UbbRLUo等效电路3.3光生伏特器件的偏置电路

光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围和光电变换的动态范围加宽。

光伏器件反向偏置电路1.反向莲偏置骑电路门的输某出特巡寿性在如枪图所密示的桶反向优偏置接电路玩中，Ubb>>哭KT狐/q时，胖流过驻负载鲜电阻RL的电友流IL为二极象管两巡寿端的柳电压敢可以品写成2.输出细电流绑、电胀压与节辐射然量间番的关辽系反向喜饱和浮电流芹很小厕，可凭以忽害略不盘计。反向祸偏置钻电路桑的输烫出电临压与斗入射伸辐射事量的住关系果为输出抖电压毅信号做△U为例用2C幻玉U2D光电辞二极晕管探尊测激搭光器倘输出饮的调受制信降号φe,λ=2裂0唉+5饲si扛nωt（μW）的辐注射通嚷量时责，若秀已知欺电源宜电压剂为15希V，2C雀U2D的光择电流廊灵敏织度Si=0疤.5μA/μW，结电张容Cj=3绩p菜F，引线艘分布拾电容Ci=7找p本F，试求鸽负载什电阻RL=2题MΩ时,该电挖路的绵偏置亚电阻RB为多斥少？恒并计遇算输两出最蔽大电欧压信言号情他况下并的最印高截质止频照率为和多少僚？解首先惰找出艘入射纷辐射近的峰品值φmφm=2隙0+阻5=胶25蜂μW2C灵U2D的最沟大输亚出光射电流Im设最躬大输木出电演压信酷号时藏的偏历置电宾阻为RB，则Im=Siφm=1乖2.助5(捆μA斩)最大领输出污的电仰压时粪的最持高截裁止频糊率fb为3.反向唐偏置旗电路被的设旱计与班计算反向来偏置昆电路党常用吩图解松法，凝根据勾光电专三极增管（称或光群伏器弯件）侮的反物向偏虎置电种路图检与其丢输出啄特性吐曲线川，可绸以求疫解出校任何遍入射栽辐射井作用史下的窑输出紫电压斜信号它。也恢可以抗根据参题目稠的要颜求，坏设计乱出偏磨置电占路的血各种勉参数寻。例已知服某光颂电三遥极管想的伏坑安特勉性曲各线如且图3-治42所示确。当鱼入射立光通贺量为渴正弦乏调制风量φv,λ=5忧5升+4希0s猴inωt犬lm时，患今要外得到5V的输挡出电革压，靠试设绍计该打光电我三极率管的林变换颤电路射，并想画出梢输入执输出究的波表形图饮，分站析输曾入与剥输出矮信号农间的杯相位取关系猎。解:首先策根据村题目路的要饲求，舅找到搜入射铲光通田量的双最大假值与同最小瞒值φma毙x=5歼5+午40奴=9芦5臂lmφmi哨n=5非5－40腐=1越5肝lm在特航性曲胶线中括画出骆光通绢量的汤变化横波形存，补庸充必桶要的码特性奖曲线痛。光电美三极页管的记反偏逗电路辉图解避法再根喇据题斗目对慌输出快信号货电压泄的要盛求，役确定负光电写三极新管集喂电极袄电压每的变明化范捡围，晴本题量要求厉输出5V，指的秤是有科效值悲，集璃电极丸电压励变化楼范围糕应为械双峰狡值。随即Uce=2U≈1鸽4V根据较偏置讯电路乏可知经，入腔射为煎最大烤时输援出电茶压应等最小仔，但尽不能言进入花饱和吐区。惹为此冷，在潜特性间曲线私的“等拐点选”右位侧找布一点态“A”并做您垂线会交横截轴于批“C”点，雕从“C”向右溉量14敬V，找“D”点。控由“D”做垂悠线交裁入射践为最底小的布特性条曲线崖与“B”。通过催“A”、统“B”做直线凳，此洪线即宝为负齐载线酒。由罚负载搭线可锁以得销到负阀载电吐阻RL和电泼源电墙压Ubb。根据费入射视光通队量正苏弦变丙化关孩系可缺以在脏特性撤曲线职的电甜压坐嘴标轴冠上画帜出输碗出信照号的殿波形渠如图屈所示苍。由输杂出波伸形可我以看接出入银射辐弃射与赌输出就电压速信号挂为反流向关跨系。显然古，菊“C”点电阻压为3.迁7V，踏“D”点电荡压为17哄.7府V。电脸源电浑压Ubb近似糊为19估V，取腐标称极电压20澡V。电源胁电压Ubb取标撇称电劝压20毒V后可莫以适挨当地庸修正固负载暖线。零伏绝置电寺路如图班所示延为采茧用高臂输入吩阻抗商放大标器构季成的高近似虾零伏视偏置破电路债。图督