光电检测电路的设计

第七章光电检测电路的设计 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 输入电路 前置放大器 输入电路是连接光电器件和电信号放大器的中间环节 它的基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佳的工作状态 并最终使整个检测电路满足下列技术要求 1 灵敏的光电转换能力 使给定的输入光信号在允许的非线性失真条件下有最佳的信号传输系数 得到最大的功率 电压或电流输出 2 快速的动态响应能力 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 3 最佳的信号检测能力 具有为可靠检测所必需的信噪比或最小可检测信号功率 4 长期工作的稳定性和可靠性 根据这些要求 检测电路的设计通常包括的步骤为 电路静态计算 电路动态计算和噪声估算 一 光电检测电路的静态设计 检测电路的静态设计包括光电器件的选择和输入电路的静态计算 本节内容包括 光电检测器件的选择要点 恒流源型光电器件输入电路的静态计算 光伏型光电器件输入电路的静态计算 可变电阻型光电器件输入电路的静态计算 检测器件和放大电路的连接 1 光电检测器件的选择要点在以信息检测和信号传送为目的的光电系统中 光电检测器件的作用是将载有被测信息的光辐射能量变换为电能 并在实现这种变换的过程中完成信息的传递 检测器件是沟通光学和电子系统的接口环节 它既是光路元件又是电路元件 有着光学和电子学的双重属性 作为光路元件 它是光信号接收器 是前级光学系统的输出端口 作为电路元件 它是信号发生器 是后续电子系统的输入端口 正是由于利用了光电检测器件的双重属性 才建立了光路和电路的联系 使彼此间得以连通 因此 光电检测器件类型的选择和工作状态的确定对光电系统的工作品质至关重要 是系统设计的一个重要问题 为了提高传输效率 无畸变地变换光电信号 光电检测器件不仅要和被测辐射源及光学系统 而且要和后续的电子系统在特性和工作参数上相匹配 使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态 光电检测器件和光路的匹配是在对辐射源和光路进行光谱分析和能量计算的基础上 通过合理选择光路和器件的光学参数来实现的 这要涉及到工程光学的内容 而光电检测器件和电路的匹配则应根据选定的光电检测器件的参数 通过正确选择和设计电路来完成 光电检测器件的选择要点 1 检测器件和辐射源及光学系统在光谱特性上匹配光电系统中光载波信号的能量来源是辐射源或光源 它们可分作两类 即自然光源和人造光源 辐射能量由光源经测试目标 传输介质 接收光学系统被光电检测器接收 为了提高有用光信号的能量利用 要求检测器的光谱灵敏度分布和辐射源的光谱辐射度分布以及各传输环节的光谱透过率分布相覆盖 实际上 在含有许多光谱分量的复合光通量 作用下 探测器的复合输出I 是由单色辐射通量作用下的输出值在整个光谱分布范围内的积分值确定的 即 探测器对波长 的电流灵敏度 在辐射源和探测器之间存在选择性衰减环节 如介质传输 光学系统和滤光器 时探测器的有效输出为式中 o 是由辐射源发出的复合光通量 分别是传输介质 光学系统和滤光器的透过率光谱分布 因此 只有这些衰减环节的光谱分布尽可能地相互覆盖才可能最充分地利用入射通量 下页中列出了典型光源和探测器光谱的对应曲线 典型光源和探测器光谱的对应曲线相对光谱辐射亮度曲线1 太阳光2 日光灯3 GaP型LED4 GaAsP型LED5 双波段LED6 钨丝灯 2854K 7 GaAs型LEDb 相对探测灵敏度曲线1 检测型Si光电二极管2 照相用Si光电二极管3 平面型Si光电池4 光电三极管5 台面型光电二极管6 视见函数7 CdS光敏电阻 2 探测器的光电转换特性和入射辐射能量的大小相匹配根据光电系统辐射源的发光强度 传输介质和目标的传输及调制损耗 接收光学系统接收孔径的限制及反射吸收等损失的影响 可以计算出入射到探测器光敏面上的实际辐射能量 通常它们是很微弱的 探测器的选择应充分利用这些有用的信号能量 为此要考虑 使探测器有足够高的探测率 以确保获得一定裕度的信噪比 探测器有合适的灵敏度S 以保证对应于入射辐射通量的微小变化 有足够幅度的电信号输出 使入射通量的变化中心处于探测器光电特性的线性范围内 以确保获得良好的线性检测 典型光电检测器件的探测率比较曲线 3 使检测器件和光信号的调制形式 信号频率及波形相匹配 以保证得到良好的时间响应和没有频率失真的输出波形 为作到这一点 首先要选择有良好的时间特性或频率特性的光电器件 此外也取决于电路动态参数的选择 4 使检测器件和输入电路在电特性上匹配以得到良好的电信号输出 这包括 足够的转换系数和线性范围 快速的动态响应 良好的信噪比 5 使检测器件具有长期工作的可靠性和对工作环境的适应能力 为使器件工作可靠 需要使器件在额定条件下使用 这些条件包括额定功耗 工作电压以及工作环境温度等 器件的装置空间 受光面积 电源设备 价格等在某些情况下甚至是选择器件的主要考虑因素 需要根据待设计系统的要求和条件优先选定 几种典型光电检测器件特性参数的定性比较 2 恒流源型光电器件输入电路的静态计算光电检测电路的设计任务是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 我们将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基本类型 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 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 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 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 图解计算法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基本输入电路 图中Ub是反向偏置电压 RL是负载电阻 与输入光通量 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 具有恒流源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而晶体三极管是由基极电流控制 这表明 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 计算光电二极管输入电路的图解法a 基本电路b 图解法计算 对于这种简单电路可列出回路方程或式中 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 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 o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 o改变 或 时 在负载电阻RL上会产生 U 或 U 的电压信号输出和 I 或 I 的电流信号输出 上述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 a 负载电阻影响 在图a中 当偏置电压Ub不变时 对于同样的输入光通量 o 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 l 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Umax不大于器件的最大工作电压 b 偏置电压的影响 解析计算法利用如图所示的折线化伏安特性 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o连线 得到折线化特性的非线性部分 再用一组平行的直线分别和实际曲线的恒流部分逼近 得到折线的线性工作部分 折线化伏安特性可用下列参数确定 a 转折电压 对应于曲线转折点M处的电压值 b 初始电导 非线性区近似直线的初始斜率 c 结间漏电导G又称暗电导 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 则有S P式中的光功率P可以是光通量 单位lm 也可以是光照度E单位lx 光通量和照度之间的关系为 AE式中 A 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G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 g 是微变等效漏电导 s 是微变光电灵敏度 它们是伏安特性的微变参数 在输入光通量变化范围 min max为已知的条件下 用解析法计算输入电路的工作状态可按下列步骤进行 1 确定线性工作区域由对应最大输入光通最 max的伏安曲线弯曲处即可确定转折点M 相应的转折电压或初始电导值可由图a中图示关系决定 在线段MN上有关系由此可解得或上式给出了折线化伏安特性四个基本参数 G和S间的关系 用解析法计算输入电路a 确定线性区b 计算输出信号 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 max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 此时由右图a中的图示关系可得当已知时 可计算出负载电导 阻 为当 1 已知时 可计算偏置电源电压为 用解析法计算输入电路a 确定线性区b 计算输出信号 3 计算输出电压幅度由图b 当输入光通量由 min变化到 max时 输出电压幅度为 U Umax 其中Umax和可由图中M和H点的电流值计算得到在H点 在M点 解上二式得所以上式表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图b 输出电流幅度为 可得通常 G 上式可简化为5 计算输出电功率由功率关系P I U可得 3 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极管等 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改写成如下形式式中 kT q 26mV T 300K Ip SE在使伏安特性倒转到第一象限的情况下 伏安特性可表示为或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 其中上图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 在图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 利用图解计算法 对给定的输入光通量 只要选定负载电阻RL 工作点Q即可由负载线与光电池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 相对的光通量增量 将形成对应的电流变化 I和电压变化 U 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I Ip Id和 下面以光电池为例介绍无偏置电路的静态计算方法 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 1 2 在短路状态下 RL 0 输出电流增量 I 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 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 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RL 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a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 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 由图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 表示 下面讨论前三种工作状态 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下图中 图中A为受光面积 短路电流和开路电压随受光面积的变化曲线 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 开路电压可写成上式表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 已知在给定入射光功率 光照度E或光通量 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 下的开路电压Uoc 由上式 有 联立求解上二式 有所以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 这是它的不足之处 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 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 可利用式显然 在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 S 上式要求 1 由于 I 所以只要满足条件 1就可以得到输出电流和输入光强的线性关系 负载电阻对光电池输出电压电流和功率的影响 令最大线性允许光电流为Is 相应的光通量为 s 则可得到输出最大线性电压的临界负载电阻Rs为Rs Is 26mV S s对于交变信号情况 对应 max 的输入光强变化 负载上的电压信号为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 光电池近似线性区间的确定 所以 Rs值可近似计算为式中 Uoc是对应 max时的值 对应的输出电压的变化为 4 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 或光照度E 并有式中 是亮电导 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 其电阻值表达式为式中 为温度T时的电阻 为温度T 0时的电阻 为电阻温度系数 T为温度 当温度变化 T时 电阻的变化量为 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 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有当输入光通量变化时 通过光敏电阻的变化 R而引起负载电流的变化 I 有 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 负载电流变化 IL 光电导Gp为 又 微分得 则有 电压变化量 上两式给出了由于输出光通量的变化 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 R 此时负载电流变成这表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 的变化 负载电流的变化 I变成上式表明输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值 与偏置电压成正比 此外可以证明恒流偏置的电压信噪比较高 因此适用于高灵敏度测量 这是它的优点 但是由于很大 为使光敏电阻正常工作的偏置电压则很高 达100V以上 这给使用带来不便 为了降低电源电压 通常采用晶体管作恒流器件来代替 2 恒压偏置在负载电阻比光敏电阻小得多时有 R 此时偏置电压UL变成 0因此 光敏光阻上的电压近似与电源电压相等 这种光敏电阻上的电压保持不变的偏置称作恒压偏置 负载上的信号电压变成式中S G是光敏电阻的电导变化量 是引起信号输出的原因 上式表示恒压偏置的输出信号与光敏电阻值无关 仅取决于电导的相对变化 这样 检测电路在更换光敏阻值时对电路初始状态影响不大 这是该电路的优点 2 电桥输入电路为避免可变电阻型器件受环境温度的影响常采用电桥电路 以热敏电阻为例 选择性能相同的两个热敏电阻和作电桥测量臂的电阻 普通电阻作为补偿臂电阻 外加电源电压为 在无辐射照射时 调节补偿电阻 使电桥平衡 此时 热敏电阻电桥电路 电桥输出信号为Uo 0 当有辐射作用于热敏电阻上时 温升 T引起电阻的改变为式中 为热敏电阻的暗电阻 此时电桥平衡破坏 开路电压Uo为在弱辐射作用下有 R 取 R和 其中是的暗电阻 则上式为由式可见输出电压与热敏电阻变化量 R成比例 并与负载电阻R有关 令dUo dR 0 可计算当R 时Uo取最大值为 热敏电阻电桥电路 5 检测器件和放大电路的连接前述输入电路的计算确定了在缓变光信号作用下电阻负载上的电流和电压 对于大多数弱光信号的检测 输入电路通常要与信号放大电路相连接 随着集成电路技术的发展 各种类型集成放大器广泛应用于光电检测中 下面介绍三种光电二极管与IC放大电路的典型连接方法 光电二极管和IC放大器的连接a 电流放大型b 电压放大型c 阻抗变换型 1 电流放大型图a是电流放大型IC检测电路 光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连 运算放大器两输入端间的输入阻抗是光电二极管的负载电阻 可表示为式中 A是放大器的开环放大倍数 是反馈电阻 当A 100k 时 10 可以认为光电二极管是处于短路工作状态 能取出近于理想的短路电流 处于电流放大状态的运算放大器 其输出电压Uo与输入短路光电流成比例 并有即输出信号与输入光通量成正比 此外 电流放大器因输入阻抗低而响应速度较高 并且放大器噪声较低 信噪比提高 这些优点使其广泛应用于弱光信号的检测中 2 电压放大型图b是电压放大型IC检测电路 此处光电二极管的正端接在运算放大器的正端 运算放大器的漏电流比光电流小得多 具有很高的输入阻抗 当负载电阻取1M 以上时 运行于光电池状态下的光电二极管处于接近开路状态 可以得到与开路电压成比例的输出信号 即式中 是该电路的电压放大倍数 3 阻抗变换型反向偏置光电二极管或PIN光电二极管具有恒流源性质 内阻很大 且饱和光电流和输入光通量成正比 在有很高的负载电阻的情况下可以得到较大的信号电压 但如果将这种处于反向偏置状态下的光电二极管直接接到实际的负载电阻上 则会因阻抗的失配而削弱信号的幅度 因此需要有阻抗变换器将高阻抗的电流源变换成低阻抗的电压源 然后再与负载相连 图c中所示的以场效应管为前级的运算放大器就是这样的阻抗变换器 该电路中场效应管具有很高的输入阻抗 因此光电流是通过反馈电阻形成压降的 电路的输入电压Uo为Uo与输入光通量成正比 当实际的负载电阻与放大器连接时 由于放大器输出阻抗Ro较小 Ro 则负载功率Po为另一方面 计算光电二极管直接与负载电阻相连时负载上的功率 比较两种情况可见 采用阻抗变换器可以使功率输出提高倍 例如 当 1M 10M 时 功率提高100倍 这种电路的时间特性较差 但用在信号带宽没有特殊要求的缓变光信号检测中 可以得到很高的功率放大倍数 此外 用场效应管代替双极性晶体管作前置极 其偏置电流很小 因此适用于光功率很小的场合 二 光电检测电路的动态设计 在许多场合下 光电检测电路接收到的是随时间变化的光信号 例如瞬变信号或各种形式的调制光信号 这类信号的特点是信号微弱 需要多级放大以及信号中包含着丰富的频率分量等 与缓慢变化光信号检测电路的静态计算不同 在分析和设计交变光信号检测电路时 需要解决下述几项动态计算问题 即 1 确定检测电路的动态工作状态 使在交变光信号作用下负载上能获得非线性失真最小的电信号输出 2 使检测电路具有足够宽的频率响应 以能对复杂的瞬变光信号或周期性光信号进行无频率失真的变换和传输 1 输入电路动态工作状态的计算在交变光信号输入电路中 为提供检测器件的正常工作条件首先要建立直流工作点 另一方面输入电路和后续电路通常是经阻容连接等多种方式耦合的 后续电路的等效输入阻抗将和输入电路的直流负载电阻并联组成检测器的交流负载 这是不同于静态计算的主要区别之一 现以光电二极管的两种工作状态为例介绍它们的动态计算方法 1 光电二极管交流检测电路图a给出了反向偏置光电二极管交流检测电路的基本形式 首先确定在交流光信号作用下电路的最佳工作状态 假定输入光照度为正弦变化 具有的形式 光照度的变化范围为 若在信号通频带范围内 耦合电容Cc可认为是短路 则等效交流负载电阻是和的并联 对应的交流负载线MN应该通过特性曲线的转折点M 以便能充分利用器件的线性区间 其斜率由和的并联电阻决定 交流负载线与光照度E 对应的伏安特性相交于Q点 该点对应交变输入光照度的直流分量 是输入直流偏置电路的静态工作点 通过Q点作直流负载线可以图解得到偏置电阻和电源的值 反向偏置光电二极管交流检测电路及计算a 检测电路b 图解法 下面来计算负载上的输出电压和输出功率值 负载电阻上的输出电压峰值Um可利用图b中阴影线三角形MHQ的数值关系计算 若交流负载线的斜率是 设交流负载总电流峰值为Im 则有另一方面 在图中的线段MH上有代入上式 有负载电阻上的输出功率为式中 是负载上的电流峰值 有 将对求偏微分计算最大功率输出下的负载电阻 1 可得可得阻抗匹配条件下负载的输出电压峰值Umo 最大输出功率有效值和输出电流峰值Imo 为最大功率输出条件的直流偏置电阻和电源电压可用解析法计算 静态工作点Q的电流值由伏安特性有由负载线有求解上二式 有 负载电阻在电压轴上工作点Q处的电压UQ为 对比可得 解得 2 光电池交流检测电路图a是光电池交流检测电路 图b是处于线性区域的工作特性图解 图中直流负载是通过原点 斜率为的直线 当输入光照度为时 光电池特性曲线中对应于的曲线与直流负载线相交于Q点 Q是静态工作点 交流负载线通过Q点 斜率为 该负载线与最大输入光照度对应的光电池曲线相交于M点 M点的电压应满足式中 是与正弦输入的光照度相对应的输出电压峰值 对于的最大功率输出条件下输出电压 功率和电流有类似的形式 偏置电阻的数值可计算为 2 光电检测电路的频率特性光电器件自身的惯性和检测电路的耦合电容 分布电容等非电阻性参数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 为了表征这种动态响应能力 通常采用两种分析方法 即时域分析法和频域法 前者以经典的微分方程法为基础 通过求解微分方程得到输出响应的时间表达式 这种方法的全部计算都是在时间范围内进行 可以获得有关过渡过程的直观描述 但一般计算繁琐 缺乏明确的规律性 以傅里叶变换为基础的频域分析法是基于下述的基本出发点 1 多数情况下任何复杂的信号激励都可看成为若干谐波信号的叠加 2 对于确定的环节 描述它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 是环节对交变信号动态响应的表征 3 多级检测系统可以用其组成单元的频率特性间的简单计算得到系统的综合频率特性 有利于复杂系统的综合分析 有关光电检测器件的频率响应已在相应各章节中介绍 需要强调指出的是 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 工程上描述检测通道频率响应的参数是通道的通频带 F 它是检测电路上限和下限截止频率所包括的频率范围 F愈大 信号通过能力愈强 本节将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探测器件外 大多数的光电 热电探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 因此 首先讨论光电检测电路的高频特性 现以反向偏置光电二极管交流检测电路为例 图中给出了该电路的微变等效电路图 这里忽略了耦合电容Cc的影响 因为对于高频信号Cc可以认为是短路的 但光电二极管结电容Cj的作用必须考虑 列出该电路的电路方程为 式中 是输入光照度 是负载电流 是偏置电流 是结电容电流 是光电二极管反向漏电流 式中各光 电量均是复数值 求解上二式可得将改写成下列形式式中 称作检测电路的时间常数 由上式可见检测电路的频率特性不仅与光电二极管参数和g有关 而且取决于放大电路的参数和 对应检测电路的不同工作状态 频率特性可有不同的简化形式 1 给定输入光照度 在负载上取最大功率输出时 要求满足此时时间常数上限频率 2 电压放大时希望在负载上取得最大电压输出 要求满足此时时间常数上限频率 3 电流放大时希望在负载上取得最大电流 要求满足 此时时间常数上限频率 可见 为了从光电二极管中得到足够的信号功率和电压 负载电阻和不能很小 但过大的阻值又使高频截止频率下降 降低了通频带宽度 因此负载的选择要根据增益和带宽的要求综合考虑 只有在电流放大的情况下才允许取得很小 并通过后级放大得到足够的信号增益 因此 常常采用低输入阻抗高增益的电流放大器使检测器工作在电流放大状态 以提高频率响应 而放大器的高增益可在不改变信号通频带的前提下提高信号的输出电压 三 光电检测电路的噪声估算 实际的光电检测电路存在有各种外部扰动和内部噪声 外部扰动包括辐射源的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 杂散光的入射以及检测电路所受到的电磁干扰等 这些扰动可以通过稳定辐射光源 遮断杂光 选择偏振面或滤色片以及电气屏蔽 电干扰滤波等措施加以改善或消除 光电检测器件 输入电路和前置放大器等的器件固有噪声是光信号检测接收的另一主要扰动源 这些内部噪声是随机起伏的 覆盖在很宽的频谱范围内 它们和有用信号同时存在 相互混淆 限制了检测系统分辨率的提高 因此 在光电检测电路设计中 要进行综合噪声估算以确保可靠检测所必需的信噪比 系统的噪声可分为来自外部的干扰噪声和内部噪声 内部固有噪声是由于系统各元器件中带电微粒不规则运动的起伏所造成 它们主要是热噪声 散粒噪声 产生一复合噪声 1 f噪声和温度噪声等 噪声描述 噪声电压或噪声电流的均方根值则可用Un In表示 1 检测电路的噪声等效处理1 热噪声当温度高于绝对零度时 器件内部杂乱无章的自由电子的热运动 形成起伏变化的噪声电流 大小与极性均在随机地变化着 且长时间的平均值等于零 噪声电压均方值取决于材料的温度 式中 K是波尔兹曼常数 T是材料的绝对温度 R f 表示电阻随频率的变化关系 f f2 f1是热噪声的频谱分布宽度 噪声电流均方值 噪声电压均方值 室温下热噪声的有效带宽 B kT h 2 6 0 28GHz 噪声功率谱密度在频率f 1012Hz的整个无线电频带内是平坦的 电阻热噪声是一种白噪声 温度为T 300K时 2 散粒噪声又称散弹噪声 元器件中有直流电流通过时 直流电流值只表征其平均值 而微观的随机起伏形成散弹噪声 并叠加在直流电平上 散粒噪声电流均方值为 q为电子电荷量 IDC为光电流平均值 也是与频率无关的白噪声 噪声电流有效值 噪声电压 光电流的直流分量Ip 也同样引起散粒噪声 即 3 1 f噪声又称闪烁噪声 是由元器件中存在局部缺陷或有微量杂质所引起的 在探测器 电阻 晶体管及电子管中均有这类噪声 1 f噪声 一般取 2 1 有 噪声功率谱集中在低频 也称为低频噪声 4 产生 复合噪声光电导探测器因光 或热 激发产生载流子和载流子复合 或寿命 这两个随机性过程 引起电流的随机起伏形成产生 复合噪声 产生 复合噪声与频率f有关 属于非白噪声 但在相对低频的条件下 即4 2f2 2 1时 公式可