光电技术第5讲.ppt

主讲人 张建寰教授单位 机电工程学院测控技术研究所联系方式eolus 光电技术第5讲 上节内容回顾 1 概述2 硅光电二极管工作原理 特性3 其它光生伏特器件 本节内容预告 1 光电位置传感器PSD工作原理 一维PSD 二维PSD2 光生伏特器件的偏置电路反向偏置 零伏偏置 光电位置传感器 PSD PositionSensitiveDetectors APositionSensitiveDetector PSD consistsofamonolithicPINphotodiodewithauniformresistanceinoneortwodimensions PSDshavemanyadvantages comparedtodiscreteelementdetectors includinghighpositionresolution fastresponsespeedandsimpleoperatingcircuits Positiondataisindependentofthesizeoflightspotonthedetector Theycanbeusedfornon contactdistancemeasurement laserbeamalignmentandopticaltrackingofanobject PSDsfortrackingelectronsorhighenergyparticlesarealsoavailable 光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件 其输出信号与光点在光敏面上的位置有关 它对光斑的形状无严格要求 即输出信号与光的聚焦无关 只与光的能量中心位置有关 光敏面无需分割 消除了死区 可连续测量光斑位置 位置分辨率很高 一维可以达到0 2um 可同时检测位置和光强 特点 1 PSD器件的工作原理 当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时 在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷 此电荷形成的光电流通过电阻p型层分别由电极1与2输出 设p型层的电阻是均匀的 两电极间的距离为2L 流过两电极的电流分别为I1和I2 则流过n型层上电极的电流I0为I1和I2之和 I0 I1 I2 2 一维PSD器件 一维PSD器件主要用来测量光斑在一维方向上的位置或位置移动量的装置 下图 a 为典型一维PSD器件S1543的结构示意图 其中1和2为信号电极 3为公共电极 它的光敏面为细长的矩形条 如图b所示 为一维PSD位置检测电路原理图 光电流I1经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4 而光电流I2经反向放大器A2放大后也分别送给放大器A3与A4 放大器A3为加法电路 完成光电流I1与I2相加的运算 放大器A5用来调整运算后信号的相位 放大器A4用作减法电路 完成光电流I2与I1相减的运算 3 二维PSD器件 如下图 a 所示 在正方形的PIN硅片的光敏面上设置2对电极 分别标注为Y1 Y2和X3 X4 其公共N极常接电源Ubb 二维PSD器件的等效电路如图 b 所示 为了减少测量误差常将二维PSD器件的光敏面进行改进 改进后的PSD光敏面如下图所示图形 四个引出线分别从四个对角线端引出 光敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变 这种结构的优点是光斑在边缘的测量误差被大大地减少 光生伏特器件的偏置电路 1 反向偏置电路 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 反向偏置电路的输出特性 在如图所示的反向偏置电路中 Ubb KT q时 流过负载电阻RL的电流IL为 二极管两端的电压可以写成 输出电流 电压与辐射量间的关系 反向饱和电流很小 可以忽略不计 反向偏置电路的输出电压与入射辐射量的关系为 输出电压信号 U为 反向偏置电路的设计与计算 反向偏置电路常用图解法 根据光电三极管 或光伏器件 的反向偏置电路图与其输出特性曲线 可以求解出任何入射辐射作用下的输出电压信号 也可以根据题目的要求 设计出偏置电路的各种参数 例已知某光电三极管的伏安特性曲线如图所示 当入射光通量为正弦调制量 v 55 40sin tlm时 今要得到5V的输出电压 试设计该光电三极管的变换电路 并画出输入输出的波形图 分析输入与输出信号间的相位关系 解 首先根据题目的要求 找到入射光通量的最大值与最小值 max 55 40 95lm min 55 40 15lm在特性曲线中画出光通量的变化波形 补充必要的特性曲线 再根据题目对输出信号电压的要求 确定光电三极管集电极电压的变化范围 本题要求输出5V 指的是有效值 集电极电压变化范围应为双峰值 即Uce 2U 14V根据偏置电路可知 入射为最大时输出电压应最小 但不能进入饱和区 为此 在特性曲线的 拐点 右侧找一点 A 并做垂线交横轴于 C 点 从 C 向右量14V 找 D 点 由 D 做垂线交入射为最小的特性曲线与 B 通过 A B 做直线 此线即为负载线 由负载线可以得到负载电阻RL和电源电压Ubb 根据入射光通量正弦变化关系可以在特性曲线的电压坐标轴上画出输出信号的波形如图所示 由输出波形可以看出入射辐射与输出电压信号为反向关系 显然 C 点电压为3 7V D 点电压为17 7V 电源电压Ubb近似为19V 取标称电压20V 电源电压Ubb取标称电压20V后可以适当地修正负载线 2零偏置电路 如图所示为