第四章 光电信号检测电路二.ppt

1、光电信号检测电路的动态计算4.3.1光电信号输入电路的动态计算在许多情况下，光电检测电路接收随时间变化的光信号，如瞬态信号或各种形式的调制光信号。这种信号的特点是信号弱，多级放大，频率成分丰富。不同于慢变光信号检测电路的静态计算，在分析和设计交流光信号检测电路时，有必要解决以下动态计算问题：1)确定检测电路的动态工作状态，使负载在交流光信号的作用下能够获得非线性失真最小的电信号输出。2)检测电路具有足够宽的频率响应，以在没有频率失真的情况下转换和传输复杂的瞬态光信号或周期性光信号。1.输入电路动态工作状态的计算在交流光信号输入电路中，为了提供检测装置的正常工作条件，必须首先建立DC工作点。另一

2、方面，输入电路和后续电路通常以多种方式耦合，例如电阻-电容连接。后续电路的等效输入阻抗将与输入电路的DC负载电阻并联，形成检测器的交流负载。这是与静态计算的主要区别之一。以光电二极管的两种工作状态为例，介绍了它们的动态计算方法。1光电二极管交流检测电路图A显示了反向偏置光电二极管交流检测电路的基本形式。反向偏置光电二极管交流检测电路和计算a)检测电路b)图解法，首先确定电路在交流光信号作用下的最佳工作状态。假设输入照度以E0Emsint的形式正弦变化，并且照度在E0Em的范围内变化。如果耦合电容Cc可以被认为是信号通带内的短路，那么等效交流负载电阻就是Rb和R1的并联。为了充分利用器件的线性范

3、围，相应的交流负载线MN应通过特性曲线的转折点m，其斜率由Rb和RL的并联电阻决定。对应于交流负载线和照度EE0的伏安特性在点Q相交，点Q对应于交流输入照度的DC分量，并且是输入DC偏置电路的静态工作点。偏置电阻Rb和电源Ub的值可以通过使用Q点作为DC负载线来图形化地获得。负载R1上的输出电压和输出功率值计算如下。负载电阻上输出电压Um的峰值可以用图b中阴影三角形MHQ的数值关系来计算。如果交流负载线的斜率为Gl/Gb，让交流负载总电流的峰值为Im，那么Umm/(Gl/Gb)存在。另一方面，在图中的线段MH上有一个当前关系ImSEEm-gUm，并且有一个IMseem/(Gb GL g)。负载

4、电阻R1上的输出功率P1为PLILUm/2，其中，ILUm/RLGLUm为负载R1上的电流峰值。PL(GL/2)SEEm/(Gb GL g)2通过对PL至RL进行部分微分，计算出最大功率输出下的负载电阻RL01/gl0，并得到阻抗匹配条件下的负载输出电压峰值Umo、最大输出功率有效值PLm和输出电流峰值Imo。is umo seem/2g l0 PLM(seem)2/8g l0 GL 0 umo 2/2，最大功率输出条件下的DC偏置电阻Rb0和电源电压Ub可用解析法计算。静态工作点的电流值由电压-电流特性IQgUQ SEE0和负载线IQ(Ub-UQ)Gb和UQ(GbUb-SEE0)/(gGb)

5、求解。另一方面，电压轴上工作点Q处的电压UQ为UQUUM UMSEAM/2(GB G)um。通过比较前两个公式，可以计算出Gb0或Rb0是GB0SE()。2光伏交流检测电路图一是光伏交流检测电路。图b是线性区域中操作特性的图形表示。在图中，DC荷载是一条通过原点的直线，斜率为Gb。光电池交流检测电路及其图形计算a)检测电路b)图形法。当输入照度为eE0Emsint时，光电池特性曲线中对应EE0的曲线在q点与DC负载线相交，q为静态工作点。交流负载线通过q点，斜率为m点的电压Um应满足UMUQ Um0.7Uoc公式，其中UM是对应于正弦输入照度的输出电压峰值。在最大功率输出条件下，输出电压、功率

6、和电流具有相似的形式。偏置电阻值可计算为Rb0r 102um/SE(2E0 Em)。二是光电检测电路的频率特性。光电器件的惯性以及检测电路的耦合电容和分布电容等非电阻参数的存在，使得光电检测电路需要一个过渡过程来建立对快速变化的输入光信号的稳定响应。为了表征这种动态响应能力，通常使用两种分析方法，即直接域分析法和频域法。前者基于经典的微分方程方法，通过求解微分方程得到输出响应的时间表达式。该方法的所有计算都是在时间范围内进行的，可以得到过渡过程的可视化描述，但计算一般比较繁琐，缺乏明确的规律性。基于傅里叶变换的频域分析方法基于以下基本出发点：1)在大多数情况下，任何复杂的信号激励都可以看作是几

7、个谐波信号的叠加。2)对于某一链路，描述其对不同谐波输入信号的响应能力的频率特性是唯一确定的，这是链路对交变信号的动态响应的表征。3)多级检测系统通过对其组成单元的频率特性进行简单计算，可以获得系统的综合频率特性，有利于复杂系统的综合分析。光电检测器件的频率响应已在相应章节中介绍。需要强调的是，光电器件的综合动态特性不仅与光电器件本身有关，还主要取决于电路形式和阻容参数。需要进行合理的设计，以充分发挥设备的固有特性，并满足预期的动态要求。工程中描述检测通道频率响应的参数是通道的通带f，它是包含在检测电路的上限和下限截止频率中的频率范围。f越大，信号通过能力越强。本节将介绍基于器件等效电路的检测

8、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。光电探测电路的高频特性除了热释电探测器件外，大多数光电和热释电探测器件对探测电路的影响突出地体现在高频光信号响应的衰减上。因此，首先讨论了光电检测电路的高频特性。以反偏光电二极管交流检测电路为例，给出了电路的微变量等效电路图。在反向偏置光电二极管检测电路的微变化等效电路图中，耦合电容Cc的影响在这里被忽略，因为高频信号Cc可以被认为是短路。但是必须考虑光电二极管结电容Cj的作用。该电路的公式如下：iL ig ijib=参见ig/g=ij/jcj=il/GL=ib/GB=ul，其中e=E0Emsint为输入照度，iL为负载电流，ib

9、为偏置电流，ij为结电容电流，ig为光电二极管的反向泄漏电流。在公式中，每一个光和电的量都是复数。UL SEe/(g GL Gb jCj)和ILulL/RL可以通过求解上述两个方程得到，UL重写为以下形式：脉冲e/(g GL Gb)/1Jcj/(g GL Gb)SEe/(g GL Gb)/(1j)，其中cj/(g glgb)称为检测电路的时间常数。从上述公式可以看出，检测电路的频率特性不仅与光电二极管的参数Cj和G有关，还取决于放大电路的参数GL和Gb。对应于检测电路的不同工作条件，频率特性可以有不同的简化形式。1)给定输入照度，当在负载上获得最大功率输出时，要求在RLRb和gGb处满足uL(

10、RL/2)SEe/(1 j)时间常数RLCj/2上限频率fhc1/21/rlcj，2)当放大电压时，要求在负载上获得最大电压输出，当放大脉冲RB/(1J)时间常数RbCj上限频率FH C1/2 BCj 3时，要求满足RLRb(例如RL10Rb)和gGb的要求，可以看出，为了从光电二极管、负载获得足够的信号功率和电压，过大的电阻值会降低高频截止频率和通带宽度。因此，负载的选择应根据增益和带宽的要求综合考虑。仅在电流放大的情况下，允许RL非常小。通过后放大可以获得足够的信号增益。因此，通常采用低输入阻抗高增益的电流放大器来使检波器工作在电流放大状态，以改善频率响应，放大器的高增益可以在不改变信号通

11、带的情况下提高信号的输出电压。为了强调负载电阻对频率特性的影响，电路中的阻塞电容和分布电容的影响被忽略了，这些参数是决定电路通带的重要因素。以下描述了检测电路的综合频率特性。在图中，Cj是光电二极管的结电容，C0是电路的布线电容，Ci是放大器的输入电容，Cc是级间耦合电容。输入电路的频率特性可以写成如下：光电二极管交流检测电路及其等效电路和对数频率特性：a)检测电路b)等效电路c)对数频率特性，其中当RgRb在公式W(j)UL(j)/E(j)KT0j/(1 T1j)(1 T2j)、2T(1)T32T 4T5T 6T 6T 0 T4CI(RLRbB)Ci/(Gl Gb)T5CC(RbRG)RbC

12、C T6(C0 Cj)(RbRG)中给出时，KsErB/(RbR)为T1tt4t 5t 6t 0k TLC 0 serbrlc 0，输入电路的幅频特性|W(j)|可以表示为|W(j)|KT0/当上述公式用对数表示时，对数频率特性20 LG | W(j)| 20 LG kt 0-20 LG t1-20 LG T2可以用图c表示，图中虚线表示实际的对数特性。从图中可以看出，综合对数频率特性可分为三个频带：(1)中间频带(12)该频带的中心频率为0，频带满足T1l和T21，对应的频率特性为WM(j)KT0/T1常数，这表明输入电路可以视为中间频带内的理想比例环节。从11/T1到21/T2的频率范围通

13、常称为电路的通带，其传输系数为KT0/T1。其中：KT0SERbRLC0 T1，2T(1)，(2)高频带(21/T2)在该频带中，频率特性可简化为对应于WH(j)(KT0/T1)/(1 jT2)的对数频率特性曲线以-20dB/(10倍)的斜率下降，在21/T2时曲线下降3dB高频衰减的物理原因是电路中每个电容器给出的容抗1/jC0，1/jCj和1/jCi随斜率的增加而减小，并且(3)低频带(11/T1)该频段的频率特性可简化为：WL(j)jKT0/(1 jT1)对应的对数频率特性曲线以20dB/(10倍高)的斜率上升，11/T1处的曲线电平比中频带低3dB。1被称为低频或较低截止频率，这是检测

14、电路可以检测的低频信号的极限。频率特性的低频衰减主要是由于串联耦合电容Cc的容抗1/JCc随着电容的减小而增大，电容上压降的增大使输出信号变小。3.光电检测电路频率特性电路的设计，光电检测电路设计的要求是在保证所需检测灵敏度的前提下，获得最佳的线性度和无失真的频率。前者是静态设计的基本内容，而后者是频率特性设计中需要解决的问题信号的频率失真将改变一些谐波分量的幅度和相位，导致合成波形失真。因此，为了避免失真，保真度信号的所有频率分量不会产生不均匀的幅度衰减和额外的相位变化，并且检测电路的通带应该以足够的裕度覆盖光信号的频谱分布。检测电路的频率设计包括以下三个基本内容：1)对输入光信号进行傅里叶

15、频谱分析，以确定信号的频率分布。2)确定多级光电检测电路的允许通带宽度和上限截止频率。3)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。下面通过实例介绍频率特性设计方法的概要。示例：光电检测电路由2DU1光电二极管和同极放大器组成。测得的光信号波形如图a所示，脉冲重复频率f=200kHz，脉冲宽度t0=0.5s，脉冲幅度1V，设置光电二极管的结电容Cj=3pF，输入电路的分布电容C0=5pF，并设计电路的阻容参数。光电检测电路a)信号波形b)信号频谱c)电路形式，解决方案：分析光信号频谱并确定检测电路的总带宽。根据傅里叶变换函数表，对应图一所示的时序信号波形，可以得到图二所示的频谱分

16、布图。周期为T1/f的方波脉冲定时信号的频谱是离散的，谱线的频率间隔为f1/T200kHz，谱包络线零点的分布间隔为F1/t02MHz。选择频谱包络线的第二个峰值作为信号的高频截止频率。如图所示，幅频对应的第二个峰值包含15个谐波分量，高频截止频率fHC为fHC200kHz153MHz，可视为无失真传输。频谱的零频率分量决定了信号的DC分量，并且不影响变化的波形。然而，为了使用交流放大，可以使用阻容耦合电路来隔离DC。以低频截止频率为200赫兹，检测放大器的总频率带宽为3MHz、200赫兹，带宽约为3MHz。根据设计要求，检测电路由一个输入电路和两个相同的放大器串联组成。假设三级带宽相同，根据电子学中系统带宽的计算公式，同一个N级级联放大器的高频截止频率fnHCfHC为FnHCfHC，其中FhC为单级高频截止频率。将fnHCfH3MHz和n3代入上述公式，可以计算出单级高频截止频率fhcfc6MHz，即单级高频截止频率为6MHz。同样，单级低