第四章-光电信号检测电路一

第四章光电信号检测电路

电科08(系统设计方向)2023年丁志群制第四章光电信号检测电路本章内容：§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

1.恒流源型器件光电信号输入电路

2.光伏型器件光电信号输入电路3.可变电阻型光电信号输入电路§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前置放大电路对于大多数的光电装置，光电器件需要通过检测电路才能实现光电信号的变换作用。通常，光电检测电路是由光电检测器件、输入电路和前置放大器组成。光电检测器件光电转换的核心器件，将光信号转化成电信号。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，同时和前置放大器电路匹配。前置放大器将微弱的光信号进行放大，匹配后置处理器与光电探测器之间的阻抗。灵敏的光电转换能力光电灵敏度：单位输入光信号变化量所引起的输出电信号的变化量。使给定的输入光信号在允许的非线性失真条件下有最正确的信号传输系数，得到最大的功率、电压或电流输出。快速的动态响应特性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。最正确的信号检测能力主要指输出信号中有用成分的多少。具有为可靠检测所必需的信噪比或最小可检测信号功率。长期工作的稳定性和可靠性恶劣环境下正常工作的能力〔航空，天文〕§4-1光电检测电路的设计要求根据上述要求，检测电路的设计步骤通常包括：输入电路静态计算输入电路动态计算噪声估算§4-2光电信号输入电路的静态计算

检测电路的静态设计：光电器件的选择和输入电路的静态计算。输入电路是连接光电器件和电信号放大器的中间环节，它的根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〔例如将电流和电阻转换为电压〕，同时完成和前置放大器的电路匹配。输入电路的设计应根据电信号的性质、大小，光学的和器件的噪声电平等初始条件以及输出电平和通频带等技术要求来确定电路的连接形式和工作参数，保证光电器件和后级电路最正确的工作状态，并最终使整个检测电路满足以下技术要求：

1〕灵敏的光电转换能力2〕快速的动态响应能力

3〕最正确的信号检测能力4〕长期工作的稳定性和可靠性光电检测电路的设计任务:根据入射光信号的性质和大小来选择输入电路形式，并估算电路工作状态和器件参数，在保证信号不失真的情况下获得最大的光电转换能力，同时要使之和后级放大电路相匹配以利于信号的进一步传输。缓慢变化的光信号通常采用直流检测电路。直流电路的计算重点在于确定电路的静态工作状态，由于光电检测器件伏安特性的非线性，一般采用非线性电路的图解法和分段线性化的解析法来计算。根据器件伏安特性的性质分作：恒流源型、光伏型和可变电阻型三种根本类型，并且以光电二极管为线索介绍它们在各种工作状态下的电路计算方法。

4.2.1恒流源型光电器件输入电路的静态计算恒流源型光电检测器件的伏安特性a)光电倍增管

b)光电二极管

c)光电三极管恒流源型光电检测器件的伏安特性是一组以输入光照度E或光通量Φ为参量的曲线组。在工作电压较小的范围内曲线呈弯曲的趋势，并且有一转折点M。工作电压加大后曲线逐渐平直。随输入光通量的改变，各曲线间逐渐近似平行，间距相等。这种随器件端电压增大输出电流变化不大的性质称恒流源特性。具有这种伏安特性的光电检测器件有光电管，光电倍增管和工作于反向偏置电压状态下的光电二极管以及光电三极管等。将图中所示伏安特性和晶体三极管集电极特性相比较，其形状类似，只是光电器件的光电流是由输入光功率控制,晶体三极管是由基极电流控制。这说明，可以采用与晶体管放大器相类似的方法对恒流型光电器件进行分析和计算。1．图解计算法计算光电二极管输入电路的图解法a)根本电路

b)图解法计算利用包含非线性元件的串联电路的图解法：

图a给出了在反向偏置电压作用下光电二极管的根本输入电路。图中Ub是反向偏置电压，RL是负载电阻，与输入光通量Φ成正比的电压信号Uo就是从RL的两端输出的。Ub、RL和光电二极管V串联连接。对于这种简单电路可列出回路方程。Ub＝U(I)+IRL或U(I)＝Ub-IRL式中，U(I)是非线性函数。上式可利用图解法进行计算。如图b，在伏安特性上划出负载线Ub-IRL，它是斜率为-1/RL，通过U＝Ub点的直线，与纵轴交于Ub/RL点上。Ub＝U(I)+IRL或U(I)＝Ub-IRL由于串联回路中流过各回路元件的电流相等，负载线和对应于输入光通量为Φo时的器件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Φo改变+ΔΦ〔或-ΔΦ〕时，在负载电阻RL上会产生-ΔU〔或+ΔU〕的电压信号输出和+ΔI〔或-ΔI〕的电流信号输出。图解法特别适用于大信号状态下的电路分析。例如在大信号检测情况下可以定性地看到输出信号的波形畸变。在用作光电开关的情况下可以借助图解法合理地选择电路参数使之能可靠的动作，同时保证不使器件超过其最大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率。输入电路参数RL和Ub对输出信号的影响a)负载电阻影响

b)电源电压影响在图a中，当偏置电压Ub不变时，对于同样的输入光通量Φo±ΔΦ，负载电阻RL的减小会增大输出信号电流而使输出电压减小。但RL的减小会受到最大工作电流和功耗的限制。为了提高输出信号电压应增大RL，但过大的RL会使负载线越过特性曲线的转折点M进入非线性区，而在这个范围内光电灵敏度S=Δl/ΔΦ不再是常数，这会使输出信号的波形发生畸变。另一方面，在图b中，对应于相同的RL值，当偏置电压Ub增大时输出信号电压的幅度也随之增大，并且线性度得到改善。但电路的功耗随之加大，并且过大的偏置电压会引起光电二极管的反向击穿。利用图解法确定输入电路的负载电阻RL和反向偏压Ub值时，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点M，以便得到不失真的最大电压输出，同时保证Ub不大于器件的最大工作电压Umax。举例2．解析计算法

伏安特性的分段折线化和微变等效电路a)折线化一

b)折线化二

c)等效电路如下图的折线化伏安特性。它是实际非线性伏安特性的分段折线化，近似画法视伏安特性形状而异。通常是在转折点M处将曲线分作两个区域。在图a的情况下是作直线与原曲线相切；在图b情况下是过转折点M和原点0连线，得到折线化特性的非线性局部，再用一组平行的直线分别和实际曲线的恒流局部逼近，得到折线的线性工作局部。折线化伏安特性可用以下参数确定：

a〕转折电压U0：对应于曲线转折点M处的电压值。

b〕初始电导G0：线性区近似直线的初始斜率。

c〕结间漏电导G：线性区内各平行直线的平均斜率。

d〕光电灵敏度S：单位输入光功率所引起的光电流值。设输入光功率为P，对应的光电流为Ip，那么有S＝Ip/P式中的光功率P可以是光通量Φ，也可以是光照度E。光通量和照度之间的关系为：

Φ＝AE其中，A为光敏面受光面积。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组合：即与二极管端电压U成正比，由结间漏电导形成的无光照电流〔暗电流〕Id和与端电压无关仅取决于输入光功率的光电流Ip。因此，在线性区内的伏安特性可以解析地表示为I=f(U,Φ)=Id+Ip=GU+SΦ当输入光通量在确定的工作点附近作微量变化时，只需对上式作全微分即可得到微变等效方程为

式中，是微变等效漏电导;

是微光电灵敏度，

它们是伏安特性的微变参数。在输入光通量变化范围Φmin～Φmax为的条件下，用解析法计算输入电路的工作状态可按以下步骤进行。用解析法计算输入电路a)确定线性区

b)计算输出信号1〕确定线性工作区域由对应最大输入光通量Φmax的伏安曲线弯曲处即可确定转折点M。相应的转折电压U0或初始电导值G0可由上图a中图示关系决定。在线段MN上有关系G0U0＝GU0+SΦmax

由此可解得U0＝SΦmax/(G0-G)或G0＝G+SΦmax/U0上式给出了折线化伏安特性四个根本参数U0、G0、G和S间的关系。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Φmax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，此时由上图a中的图示关系可得(Ub-U0)GL＝G0U0

当Ub时，可计算出负载电导〔阻〕GL为GL＝G0·U0/(Ub-U0)＝SΦmax/[Ub(1-G/G0)-SΦmax/G0)]

当RL＝1/GL时，可计算偏置电源电压Ub为Ub＝SΦmax(GL+G0)/GL(G0-G)3〕计算输出电压幅度

由上图b，当输入光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压幅度为ΔU＝Umax-U0，其中Umax和U0可由图中M和H点的电流值计算得到在H点：GL(Ub-Umax)=GUmax+SΦmin在M点：GL(Ub-U0)=GU0+SΦmax

解上二式得Umax＝(GLUb-SΦmin)/(G+GL)U0＝(GLUb-SΦmax)/(G+GL)ΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(G+GL)＝S·ΔΦ/(G+GL)上式说明输出电压幅度与输入光通量的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。4〕计算输出电流幅度

由上图b，输出电流幅度为：ΔI＝Imax-Imin＝ΔUGL

可得ΔI＝GLΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(1+G/GL)通常GL>>G，上式可简化为ΔI＝S(Φmax-Φmin)＝SΔΦ

5〕计算输出电功率由功率关系P=ΔIΔU可得P＝GL(ΔU)2＝GL[SΔΦ/(G+GL)]2光伏型输入电路的静态计算

4.2.2光伏型光电器件输入电路的静态计算光伏型光电器件的伏安特性是一组以入射光功率为参量的曲线组，分布在伏安坐标系的第四象限。由于器件的端电压U和电流I的方向相反，对外电路形成电势，所以具有赋能元件的性质，可对负载供电。有这种伏安特性的光电器件包括光电池和工作于光电池状态下的光电二级管为例。光电池(photovoltaiccell)是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。

硅光电池的伏安特性曲线

图4-2硅光电池原理图(a)结构示意图；(b)等效电路光伏型光电器件的伏安特性和等效电路

光电池的输出电流可写成如下形式I＝I0(eU/UT-1)-Ip式中UT＝kT/q≈26mV〔T＝300K〕，Ip＝SE在使伏安特性倒转到第一象限的情况下，伏安特性可表示为I＝Ip-I0(eU/UT-1)或U＝UTln[I-(Ip+I0)]/I0相应的等效电路表示在上图b中。光伏型光电器件输入电路的计算将根据前述的表达式和相应的伏安曲线以及电路方程进行。三种根本的光伏器件输入电路的型式a)无偏置电路

b)偏置电路

c)太阳能电池电路图a是光伏器件直接和负载电阻连接的电路，称作无偏置电路。图b的电路中，负载电阻上除串联光伏器件外尚有与器件端电压相反方向的偏置电源，组成反向偏置电路。图c是作为能源变换器使用的太阳能电池充电电路。通常光电池多采用上图a和c的电路，光电二极管多采用上图b的电路。

1.无偏置电路的静态计算方法无偏置状态下光电池的输入等效电路和图解法

上图给出了无偏置光电池输入电路的等效电路〔图a〕及其计算图解〔图b〕。对图a的回路建立电路方程，有U＝IRL和I＝Ip-I0(eU/UT-1)

利用图解计算法，对给定的输入光通量Φ0，只要选定负载电阻RL，工作点Q即可由负载线与光电池相应的伏安曲线的交点确定。该点处的电流电压值IQ与UQ即为RL上的输出值。相对Φ0的光通量增量±ΔΦ将形成对应的电流变化±ΔI和电压变化±ΔU。负载电阻对光电池输出电压电流和功率的影响

由于光电池特性的非线性，负载电阻的选择会影响光电池的输出信号。例如在上图a中，对应光通量的增量ΔΦ＝Φ1-Φ2，在短路状态下〔RL＝0〕，输出电流增量ΔI＝Isc1-Isc2，输出电压为零。随着RL的增大，电流逐渐变小，输出电压随之增大，直到某一临界电阻RL之后负载上的电压变得饱合〔见上图b〕。另一方面，输入光通量也影响输入电路的工作状态。由图中可以看出，对确定的负载电阻如Rs，当输入光通量较小时负载上的输出电流和电压近似地随入射光通量成正比例增加，而当入射光通量较大时输出电流和电压逐渐呈现饱合状态。负载电阻愈大情况愈明显〔如图中R2的情况〕。可以定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态〔I、U、P〕的影响：I＝Ip-I0(eIRL/UT-1)U＝UTln[(Ip-U/RL+I0)/I0]和P＝IU＝(UTU/RL)·ln[(Ip-U/RL+I0)/I0]根据上述公式，在同一入射光通量下，负载电阻对光电池输出电压、电流、功率的影响曲线表示在上图b中。

由上图b可见，根据选用负载电阻的数值可以把光电池的工作状态分作：短路或线性电流放大、空载电压输出、线性电压放大和功率放大四个区域，分别由图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示。下面讨论前三种工作状态。1〕短路或线性电流放大

这是一种电流变换状态，在这种状态下，后续电流放大级作为负载从光电池中取得最大的输出电流。为此要求负载电阻或后续放大器输入阻抗尽可能小。由上图a中可看到由于RL很小，输出电流接近于短路电流，它与入射光通量有良好的线性关系，即I＝Ip-I0(eIRL/UT-1)|RL→0＝Isc＝SΦ

及

ΔI＝SΔΦ

此外，在短路状态下器件噪声电流较低，信噪比改善，所以最适用于弱光信号的检测。短路电流和开路电压随受光面积的变化曲线

短路电流随受光面积的大小而改变，同一片光电池的短路电流或低阻负载时的负载电流与受光面积的变化曲线表示在以下图中，图中A为受光面积。2.空载电压输出

这是一种非线性电压变换状态。此时光电池应通过高输入阻抗变换器与前级放大电路连接，相当于输出开路。开路电压可写成Uoc＝(KT/q)·ln(Ip/I0+1)≈UTln(Ip/I0)＝UTln(SΦ/I0)

上式说明开路电压与入射光通量的对数成正比。并且由于Ip与光电池面积成正比，所以同一光电池的开路电压与光电池面积的对数成正比，如上图所示。在给定入射光功率〔光照度E或光通量Φ〕下的开路电压Uoc，可以求出另一个入射光功率〔光照度E′或光通量Φ′〕下的开路电压Uoc′。由上式，有Uoc＝UTlnIp-UTlnI0和Uoc′＝UTlnIp′-UTlnI0′联立求解上二式，有Uoc′＝Uoc-UTlnIp+UTlnIp′＝Uoc+UTln(Ip′/Ip)

所以Uoc′＝Uoc+UTln(Φ′/Φ)＝Uoc+UTln(E′/E)通常光电池的开路电压为0.45～0.6V，在入射光强从零到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中简单地利用Uoc的电压变化不需加任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的优点。此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利。这种使用方式的频率特性不好，受温度影响也较大，这是它的缺乏之处。3.线性电压输出

由图负载电阻对光电池输出电压电流和功率的影响中b的Ⅲ区域可见，这种工作状态在串联负载电阻上能得到与输入光通量近似成正比的信号电压。增大负载电阻有助于提高电压，但却引起输出信号的非线性畸变。为了确定负载电阻的临界条件，可利用式I＝Ip-I0(eIRL/UT-1)

显然，在RL很大时式中的指数项不能忽略。将上式展开成幂级数，忽略高阶项，上式可简化为I≈SΦ上式要求I0RL/UT《1。由于I0《I，所以只要满足条件IRL/UT《1就可以得到输出电流和输入光强的线性关系。令最大线性允许光电流为Is，相应的光通量为Φs，那么可得到输出最大线性电压的临界负载电阻Rs为Rs《UT/Is＝26mV/SΦs

对于交变信号情况，对应Φmax±ΔΦ的输入光强变化，负载上的电压信号为ΔU＝RsΔIp＝(26mV/SΦs)·SΔΦ＝26mV·(ΔΦ/Φmax)光电池近似线性区间确实定在线性关系要求不高的情况下，可以利用图解法简单地得到临界电阻Rs值。此时，在电压轴上选取临界电压Us＝0.6Uoc的垂直线，与对应伏安曲线相交于S点，这样也可以得到临界电阻的负载线。此处倍数0.6是经验数据。由于临界电阻Rs上的电压Us为

Us≈RsIs＝0.6Uoc所以，Rs值可近似计算为Rs《0.6Uoc/Ip＝0.6Uoc/SΦmax式中，Uoc是对应Φmax时的值。对应的输出电压的变化为ΔU＝RsΔIp＝(0.6Uoc/SΦmax)·SΔΦ＝0.6Uoc·(ΔΦ/Φmax)可变电阻型光电器件输入电路的静态计算阻值随输入光通量改变的光敏电阻的伏安特性是一组以输入光功率为参量的通过原点的直线组，在一定范围内光敏电阻阻值不随外电压改变，仅取决于输入光通量Φ或光照度E，并有R=U/I=1/G=1/(Gp+Gd)式中，Gp=SgE=SΦ是亮电导，Gd是暗电导。

阻值随温度改变的热敏电阻也属可变电阻型器件，其电阻值表达式为RT＝R0(1＋αT)式中，RT为温度T时的电阻，R0为温度T=0时的电阻，α为电阻温度系数，T为温度。当温度变化ΔT时，电阻的变化量ΔRT为ΔRT＝R0αΔT最简单的光敏电阻电路和电路图解法a)光敏电阻电路

b)图解法1．简单输入电路

电路的图解计算法表示在图b中。这是一个线性电路的计算，在建立负载线之后即可确定对应于输入光通量Φ3～Φ1变化的负载电阻上的输出信号。

电路的工作状态也可以用解析法按线性电路规律计算，由图a有IL＝Ub/(R+RL)UL＝Ub·RL/(R+RL)

当输入光通量变化时，通过光敏电阻的变化ΔR而引起负载电流的变化ΔI，有ΔI＝ΔΦ·R2UbS/(R+RL)2ΔU＝ΔIRL＝RLΔΦ·R2UbS/(R+RL)2上两式给出了由于输出光通量的变化ΔΦ引起的负载电流和电压的变化量。下面讨论两种典型的工作状态。1〕恒流偏置

在输入电路中的负载电阻比光敏电阻大得多的条件下有RL》R，此时负载电流IL变成IL＝Ub/RL

这说明负载电流与光敏电阻值无关，近似保持常数。这种电路称作恒流偏置电路。随输入光通量ΔΦ的变化，