(完整版)第四章光电信号检测电路

检测电路系统结构光电器件输入电路前置放大及耦合电路光电器件：光电变换输入电路：为光电器件提供正常的工作条件，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。前置放大及耦合电路：输入信号的精确检测输出例如光电器件输入电路前置放大第四章光电信号检测电路主要内容：4.1

光电检测电路的设计要求4.2

光电信号输入电路的静态计算4.3

光电信号检测电路的动态计算4.4

光电信号检测电路的噪声4.5

前置放大器4.1

光电检测电路的设计要求设计原则：保证光电器件和后续电路最佳的工作状态。使整个检测电路满足下列要求：光电转换能力强：光电灵敏度、线性范围。动态响应能力快：频率响应信号检测能力强：信噪比(SNR)、等效噪声功率(NEP)。稳定性、可靠性好：工作要求（精度重复性）4.2

光电信号输入电路的静态计算静态计算法是对缓慢变化的光信号采用直流电路检测时使用的设计方法，由于光电检测器件的非线性伏安特性，所采用的方法包括非线性电路的图解法和分段线性化的解析法。按照伏安特性的基本性质可分为三种类型：恒流源型、光伏型和可变电阻。1612840

51015M1200800400040801205432102004006008001000光电倍增管光电二极管光电三级管4.2.1

恒流源型器件光电信号输入电路在工作电压较小时，曲线呈弯曲，存在一个转折点M，随电压增大，输出电流变化不大，趋于恒流。这种输出电流随着器件端电压增大而变化不大的性质称为恒流源特性。VU/光电流由输入的光功率来控制由图可得，同样的端电压下，输入的光通量越大，则电路中的电流越大，从负载RL输出的电压也就越大，而光电器件两端的电压则变小120080040004080120光电二极管VU/1、图解计算法：利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。负载线方程：UUbRLI基本电路制约关系负载线与对应输入光通量为Φ0时的器件的伏安特性曲线交点Q，即为输入电路的静态工作点，当Φ0下降ΔΦ时，在负载电阻RL上产生的电压信号输出和的电流信号输出。1、图解计算法：利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。负载线方程：UUbRLI基本电路可借助图解法合理地选择电路参数，如最大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率。图中给出了Ub不变时，RL的大小对输出信号的影响：输入光通量变化时，负载电阻的减小，光电器件端电压增大，输出电压减小同时负载电阻的减小会受到最大工作电流和功耗的限制。而过大的RL又使输出负载线进入非线性区，使输出信号波形畸变。图解法的应用：电路分析

光电开关1、负载电阻的影响分析：负载线的斜率1/RL功耗限制可见负载电阻增加可增加输出电压，但是必须适当图解法的应用：2、偏置电压的影响分析：功耗限制图中给出了RL

不变时，Ub的大小对输出信号的影响：当偏置电压增大时，输出信号电压幅度也随之增大，线性度得到改善，但电路的功耗随之加大，过大的偏置电压会引起光电二极管的反向击穿。可见偏置电压增加可提高线性度，但是也应该适当由ΔΦ和ΔI选择RL和Ub稍高于转换点M，以便有最大不失真电压输出。利用输出的线性关系，确定RL和Ub同时保证Ub不大于器件最大工作电压Umax图解法的应用M2、解析计算法：对光电器件的非线性伏安特性进行分段折线化，称为折线化伏安特性。折线化的画法一折线化的画法二折线化的画法折线化伏安特性可用下列参数确定：转折电压U0—对应于曲线转折点M处的电压值。初始电导G0—非线性区近似直线的初始斜率。结间漏电导G—线性区各平行直线的平均斜率。光电灵敏度S—单位输入光功率所引起的光电流值。φ为输入光功率Ip为对应的光电流折线化的分析原则：利用折线化的伏安特性，可将线性区内任意Q点处的电流值I表示为两个电流分量的和：Id--为与二极管端电压U成正比，由结间漏电导形成的无光照电流（暗电流）。Ip—为与端电压无关，仅取决于输入光功率Φ的光电流。则：那么理想的光电二极管等效电路可表示为：M1、确定线性工作区域(确定U0,G0,G,S的关系)

折线化伏安特性的分析：在输入光通量变化范围Φmin~Φmax为已知的条件下，用解析法计算输入电路的工作状态：2、计算负载电阻和偏置电压：H点M点3、计算输出电压幅度：Φ=03、计算输出电流幅度：通常，上式可简化为：4、计算输出电功率：4.2.2

光伏型器件光电信号输入电路00.10.20.30.40.5-0.2-0.4-0.6-0.8光伏型器件伏安曲线等效电路光伏型器件伏安曲线如图示，位于第四象限，器件的端电压U和电流I的方向相反，具有赋能元件的性质。这类器件主要是光电池和光电池工作状态下的光电二极管。光电池输出电流有下列形式：将光电池的伏安特性转到第一象限，即规定电流的正方向，则伏安特性可表示为：或1、光伏型器件输入电路的形式：

无偏置型、反向偏置型和太阳能电池充电电路2、无偏置输入电路的静态计算电路方程：图解法分析：负载线与给定光通量Φ0对应的伏安曲线的交点即为工作点Q。Q点对应的U和I即为RL上的输出电流和电压。光通量变化时形成相应的输出电流变化和输出电压变化。O伏安特性非线性光通量较小时近似线性关系光通量较大时逐渐饱和状态

电阻越大越明显负载电阻的选取影响输出信号光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析：RL↑UMRM

短路电流或线性电流放大(区域I)

空载电压输出(区域IV)

线性电压输出(区域

II)1、负载电阻很小,接近于0,电路工作状态接近于短路工作状态,可实现电流变换。后续电流放大级可从光电池中吸取最大的输出电流。此时输出电流为：和短路电流或线性电流放大区域I线性关系良好2、光电池的开路电压通常为0.45-0.6V，当入射光强做跳跃式变化时，不要求电压随光通量线性变化（IV区），适合于开关电路或继电器工作状态。开路电压是：特点：在这种状态下，对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，有利于弱电信号的检测空载电压输出区域IV3、此时负载电阻处于中间值，小于临界负载RM

，输出电压与输入光通量近似线性。这通常是我们需要的工作状态！在线性度要求不高时,可用图解法通过OA负载线,确定RM线性电压输出区域II特点：连接电压放大器光敏电阻的应用----照相机电子快门硫化镉光敏电阻，与人眼光谱响应接近输入电路1、电压比较器正端电压固定2、按下开关，负端电位被拉到地，电压比较器输出高电平，三极管导通，快门打开3、同时，电容开始充电，A点的电位逐渐升高，充电的电流大小由光敏电阻的阻值决定。若外界光线强烈，则阻值小，电流大，充电过程迅速4、电容充电完毕，电路断开，负端电压升高超过正端，三极管截止，快门关闭A4.2.3

可变电阻型器件光电信号输入电路UL光敏电阻电路图解法伏安曲线其阻值随输入光通量改变的伏安特性如右下图。光敏电阻的一般输入电路利用图解法分析光敏电阻输入电路如图示。在建立负载线之后即可确定对应于输入光通量Φ1~Φ3变化的输出信号。？利用解析法分析光敏电阻输入电路按照线性电路规律，依图有：UL当光通量变化时，光敏电阻变化ΔR，引起负载上输出电流ΔI和输出电压ΔU的变化：又所以即有：和练习思考UL已知负载10k，偏置电压100V,光电导灵敏度为S=0.5×10-6S/lm，暗电导为0，假设静态工作点光通量为100lm时，光敏电阻阻值为20k，试求光通量在50lm到150lm的范围内变化时电路负载上输出电流和输出电压的变化范围。光敏电阻的两种工作状态1）恒流偏置2）恒压偏置当RL>>R时，UL负载电流与光敏电阻阻值无关，近似保持常数。选取RL<<R时，加在光敏电阻上的电压近似为电源电压Ub，与R无关。输出信号电压为：更换光敏电阻则影响不大4.3光电信号检测电路的动态计算光电检测电路接收交变光信号时，与缓变光信号相比，交变信号有更丰富的频率分量，信号微弱时还需要多级放大等。与缓变光信号检测电路的设计不同，在分析和设计交变光信号检测电路时，需要解决下面的动态计算问题：1、确定检测电路的动态工作状态，使交变光信号作用下负载上能获得最小非线性失真的电信号输出。2、使检测电路具有足够的频率响应，以能对复杂的瞬变光信号或周期光信号进行无频率失真的变换和传输。4.3.1

光电信号输入电路的动态计算为提供光电检测器件正常的工作条件，首先要在交变光信号输入电路中建立直流工作点。另一方面要考虑后续电路的等效输入阻抗与输入电路直流负载电阻的并联。下面分别以光电二极管和光电池为例介绍其交流检测电路的动态计算方法。1）光电二极管交流检测电路检测电路交变光信号输入光照度：交流信号视电容短路，负载为Rb和RL并联，画交流负载线，通过M点，以便充分利用线性空间。交流负载线与E0的伏安特性交点为Q点，通过Q点图解可以得到Rb和Ub。在三角形MHQ中，交流负载线MN的斜率GL+Gb。交流负载电流峰值为Im，有：下面计算负载RL上（或后续电路输入阻抗）的输出电压和输出功率值。由交流负载线MN有电流关系：可得：负载电阻RL上输出功率PL为：上式中对RL求偏微分，计算最大功率输出下的负载电阻RL0(推导过程略)，可得：称为阻抗匹配条件。此时负载上输出电压峰值Um0、最大输出功率有效值PLm和输出电流峰值IL0为：下面求解最大功率输出条件的直流偏置电阻Rb0和电源电压Ub，由解析法计算，Q点的电流值由伏安特性，可知：由负载线得：由两式得：另外，在电压轴上Q点处的电压UQ为：由UQ的两个式子可计算出Gb0或Rb0为：或2）光电池交流检测电路直流负载线是通过原点且斜率为Gb的直线，与E=E0的伏安特性相交于Q点。交变光信号输入光照度：交流负载线通过Q点，斜率为Gb+GL，与最大光照度伏安特性交于M点。M点的电压UM应满足：在最大功率输出条件下的输出电压、功率和电流的表达式：与光电二极管的解析计算过程类似，可求得对光电池交流检测电路有最大功率输出的条件为：GL=Gb=GL0最大功率输出条件的直流偏置电阻的数值可计算为：5.3.2光电检测电路的频率特性光电器件的自身惯性和检测电路的耦合电容、分布电容等非阻性元件的存在。使光电检测电路需要一个过渡过程才能对快速变化的输入光信号建立稳定的响应。在检测技术中常采用频域分析法。在光电器件以各种耦合方式和电路器件组成检测电路时，其综合动态特性不仅与光电器件本身有关，而且主要取决于电路的形式和阻容参数，需要进行合理的设计才能充分发挥器件的固有性质，达到预期的动态要求。描述检测器件频率响应通道的参数是通频带ΔF，它是检测电路上限和下限截止频率所包括的频率范围。ΔF愈大，信号通过能力愈强。本节以器件等效电路为基础，介绍检测电路的频率特性，并给出根据被测信号的技术要求设计检测电路的实例。1、光电检测电路的高频特性除热释电器件外，大多数光电、热电检测器件对检测电路的影响突出地表现在对高频光信号响应的衰减上。光电二极管交流检测电路微变等效电路图耦合电容对高频信号视为短路。e=E0+Emsinωt为输入光照度;iL为负载电流;Cj为光电二极管结电容；ib为偏置电流，ij为结电容电流;ig为反向漏电流。均为复数值。由图得：其中称为检测电路的时间常数上式可改写成：可得上限频率：可见，检测电路的频率特性与光电二极管参数Cj和g有关，还取决于放大电路的参数GL和Gb。称为检测电路的频率特性对应检测电路不同的工作状态，频率特性式可有不同的简化形式：①给定输入光强度，希望负载上获取最大功率输出。要求满足的条件式：时间常数和上限频率分别为：此时:②电压放大时，希望在负载上获得最大电压输出要求满足的条件式:此时:时间常数和上限频率分别为：③电流放大时，希望在负载上获得最大电流输出要求满足的条件式:此时:时间常数和上限频率分别为：光电检测电路的频率特性1)给定光照度输出最大功率RL=Rb

Gb

>>g2)输出最大电压

RL>>Rb

Gb

>>g3)输出最大电流Rb

>>RLg很小RL和Rb

的选取考虑增益和带宽电压频率R总结：

1、为从光电二极管得到足够的信号功率和电压，负载电阻RL和直流偏置电阻Rb不能很小，阻值过大，又使高频截止频率下降，降低通频带，因此要由增益和带宽综合考虑选择负载大小。

2、在电流放大情况下，负载RL取得很小，由后级放大得到足够的信号增益。因此采用低输入阻抗、高增益的电流放大器使检测器件工作在电流放大状态，以提高频率响应。这种高增益放大器可在不改变信号通频带的前提下提高信号的输出电压。2、光电检测电路的综合频率特性检测电路等效电路光电检测电路、等效电路如图。其中考虑了隔直电容、分布电容和放大输入电容的影响。这些参数是确定电路通频带的重要因素。图中C0是电路的布线电容，Ci是放大器输入电容，Cc是级间耦合电容。输入电路的频率特性可写成：其中当Rg>>Rb式中：输入电路的振幅频率特性：对数频率特性：规整化特性实际对数特性对数频率特性高频段综合对数频率特性可分为：1、高频段（ω>ω2=1/T2）ω2称为上限截止频率。检测电路中的高频衰减主要是因为电路中各电容容抗随ω的增加而减少，电容分流作用的加大使输出信号变小。对数频率特性等效电路对数频率特性等效电路ω0为这段频率的中心频率。频率满足ωT1>>1和ωT2<<1。相应的频率特性为：可见，中频段范围内输入电路可看作理想的比例环节，这段频率区间称做电路的通频带。2、中频段（ω1<ω<ω2）中频段低频段对数频率特性等效电路3、低频段（ω<ω1=1/T1）ω1称为低频或下限截止频率。检测电路中的低频衰减的物理原因是电路中串联耦合电容的容抗随ω的减小而增大，信号在电容上压降的提高使输出信号变小。在保证灵敏度为前提下线性不失真频率不失真通过分析组成单元的频率特性,计算出系统综合频率特性电路的通频带光信号的频谱宽度3、光电检测电路频率特性的设计3、光电检测电路频率特性的设计检测电路频率特性的设计大体包括下列三个基本内容：①信号的频谱分析

对输入光信号进行傅里叶频谱分析，确定信号的频谱分布；②确定带宽和上限截止频率

确定多级光电检测电路的允许通频带宽和上限截止频率；③确定单级阻容参数

根据级联系统的带宽计算方法，确定单级检测电路的阻容参数。下面通过一个实例说明频率特性设计的方法：3、光电检测电路频率特性的设计例：用2DU1型光电二极管和两级相同的放大器组成光电检测电路。被测光信号的波形如图，脉冲重复频率f=200kHz，脉宽t0=0.5µs，脉冲幅度1V，设光电二极管的结电容Cj=3pF，输入电路的分布电容C0=5pF，设计该电路的阻容参数。取包络线第二峰值作为信号的高频截止频率，包含15个谐波成分，高频截止频率fHC取为：此时，认为光信号是不失真的。3、光电检测电路频率特性的设计解：（1）首先分析输入光信号频谱，确定检测电路的总频带宽度。周期为T=1/f的方波脉冲时序信号，其频谱是离散的，谱线的频率间隔为：频谱包络线零值点的分布间隔为：频率的零频分量确定信号的直流成分，不影响变化的波形，但为采用交流放大利用阻容耦合电容隔直。取低频截止频率fLC为200Hz，则检测放大器的总频带宽近似为ΔF≈3MHz。3、光电检测电路频率特性的设计（2）确定级联各级电路的频带宽由设计要求，检测电路由输入电路和两级相同放大器串联而成，设三级带宽相同，根据电子学系统频带宽计算式，相同n级级联放大器的高频截止频率fnHC和低频截止频率fnLC为：将fnHC=fHC=3MHz、fnLC=fLC=200Hz和n=3代入上两式，可得：则输入电路和单级放大器的通频带宽相同，且：3、光电检测电路频率特性的设计（3）计算输入电路参数带宽为6MHz的输入电路宜采用电流放大（？）方式，利用前述公式可计算出。RL为后级放大器的输入阻抗，若取RL为2kΩ，为保证RL<<Rb，取Rb=(10~20)RL，即Rb=10RL=20kΩ。耦合电容C的值是由低频截止频率决定的。由fL=102Hz和下式可计算C值为：取C=1µF，对于第一级耦合电容可适当增大10倍，取电容值C=10µF。（why?）3、光电检测电路频率特性的设计（4）计算输入电路参数选用二级通用的宽带运算放大器，放大器输入阻抗小于2kΩ，放大器通频带要求为6MHz，这里取为10MHz。得到如图所示的检测电路。图中输入电路的直流电源为50V，低于2DU1型光电二极管的最大反向电压。并联的500µF电容用以滤除电源波动。为减少C电解电容寄生电感的影响，并联了Cp=200pF的电容。第5章光电信号检测电路主要内容：5.1光电检测电路的设计要求5.2光电信号输入电路的静态计算5.3光电信号检测电路的动态计算5.4光电信号检测电路的噪声5.5前置放大器检测器在光电转换过程中，既存在检测信号电压或信号电流，还伴随着无用的噪声电压或噪声电流。噪声是一种随机过程，其波形和瞬时振幅及相位是无规则变化的，无法精确测量，只能用统计的理论和方法去处理。包括辐射源随机波动和附加的光调制、光路传输介质的湍流和背景起伏、杂散光的入射及检测系统所受到的电磁干扰这些噪声可以通过稳定辐射源、遮断杂光、选择偏振面或滤色光片及电气屏蔽、电干扰滤波等加以改善或消除。元器件带电粒子的不连续性及局部不均，是固有噪声，由基本物理过程决定的，不可人为消除。系统噪声外部噪声内部噪声4.4