光电信号检测系统电路设计教材

1、济南大学物理科学与技术学院1第五章 光电信号检测系统电路设计缓变光信号检测电路设计恒流源型光伏型可变电阻型交变光信号检测电路设计电路动态工作状态计算检测电路的频率特性光信号检测电路的噪声估计济南大学物理科学与技术学院2一般情况下，光电检测电路是由光电器件、输入电路和前置放大器组成。光电器件把被测量光信号转换成相应的电信号，而输入电路则是为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变化（如将电流或电阻转化为电压），同时完成和前置放大器的电路匹配。光电器件输出的微弱电信号由前置放大器进行放大，前置放大器另一个作用是匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。济南大学物理科学与技术学院3检测电路的设计应根据

2、光电信号的性质、强弱、光学的和器件的噪声电平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电路参数，保证光电器件和后续电路最佳的工作状态，并最终使整个检测电路满足要求：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反应。3）最佳的信号检测能力：具有保证可靠检测所必需的信噪比或最小课检测信号功率。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步骤为：电路静态计算、电路动态计算、噪声估算和放大电路的选择和设计。济南大学物理

3、科学与技术学院4缓慢变化的光信号通常采用直流电路进行检测，直流电路的设计重点设计重点在于确定电路的静态工作状态，即进行静态计算。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图解法和分段线性法分段线性法来计算根据器件伏安特性的性质分为：恒流源型、光伏型和可变电阻型三种基本类型，以光电二极管或光电池为线索介绍计算方法。5.1缓变光信号检测电路设计济南大学物理科学与技术学院55.1.1 恒流源型光电检测电路的静态设计下图给出了恒流源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簇。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。随着工作电压的升高，曲线逐渐

4、平直。对于不同的输入光通量，各曲线间近似平行且间距随光通量增大趋于相等。这种输出电流随器件端电压增大而变化不大的性质称为恒流源特性恒流源特性。具有这种伏安特性的器件有光电管、光电倍增管、光电二极管、光电三极管等。济南大学物理科学与技术学院6济南大学物理科学与技术学院7（一）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输入电路进行计算。Ub是反向偏置电压，RL是负载电阻U0是与输入光通量成正比的电压信号（由RL两端输出）。济南大学物理科学与技术学院8Ub，RL是负载电阻和光电二极管串联连接。对于这种简单电路可列出回路方程为LbIRUIU)(U(I)是非线性函数。本方程可以利用图解法

5、计算，如（b）图所示，在伏安特性上划出负载线Ub-IRL，它是一条斜率为-1/RL,通过U=Ub的直线，与纵轴交于Ub/RL。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 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 改变 时，在负载电阻RL上会产生 的电压信号输出和 的电流信号输出。00UI济南大学物理科学与技术学院9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的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的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

6、。RL和Ub对输出信号的影响济南大学物理科学与技术学院10(a)图中，偏置电压不变时，对于同样的输入光通量，负载电阻RL的减小会增大输出信号的电流而使输出电压减小。但是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，而在非线性区光电灵敏度S不再是常数，是引起输出信号波形畸变。(b)图中，对于同样的负载电阻，当偏置电压Ub的增大会增大输出信号的电压的幅度，并且线性度得到改善，但电压的功耗随之变大，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和反向偏置电压Ub时，应根据输入光通量的

7、变换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。济南大学物理科学与技术学院11（二）解析计算法解析法需要对实际非线性伏安特性按照一定的画法进行分段折线化，具体画法视伏安特性的形状而异。通常在转折点M处将曲线分为两个区域。（a）作直线与圆曲线相切。（b）经过转折点和原点连线，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，得到折线化特性的线性工作部分。折线化伏安特性可用下列参数确定：（1）转折电压U0：对应曲线转折点M处的电压值。（2）初始电导G0：非线性区近似直线的初始斜率。（3）结间漏电导G：

8、线性区内各平行直线的平均斜率。（4）光电灵敏度S：单位输入光功率所引起的光电流值。济南大学物理科学与技术学院12设输入光功率为P，对应的光电流为IP，则有PISP/式中的光功率P可以是光通量也可以是光照度E。光通量和照度之间的关系为AEA为器件光敏面受光面积。利用折线化的伏安特性，可将线性区内任意点Q处的电流值I表示为两个电流分量的组合。SGUIIUfIpd),(：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）：与二极管端电压U无关，仅取决于输入光功率的光电流。dIpI当输入光通量在确定工作点附件微小变化时，微变等效方程为SdgdUdIdUUIdIg是微变等效漏电导，S是微变光电

9、灵敏度，是伏安特性的微变参数。 在输入光通量变化范围为已知的条件下，解析法计算输入电路的工作状态步骤步骤1.确定线性工作区域2.计算负载电阻和偏置电压3.计算输出电压幅度4.计算输出电流幅度5.计算输出电功率济南大学物理科学与技术学院14由对应最大输入光通量的伏安曲线弯曲处可确定转折点。转折电压或初始电导，可由伏安特性曲线几何关系得到：max000SGUUG线段MN上满足GGSU0max00max0USGG上式给出了折线化伏安特性四个基本参数U0、G0、G、S之间的关系。1.确定线性工作区域确定线性工作区域济南大学物理科学与技术学院15为保证最大线性输出条件，负载线和与对应的伏安曲线的交点不能

10、低于转折点M。设负载线通过M点，)(000UUGUGbL线段MN上满足0max0max000)1 (GSGGUSUUUGGbbL2.计算负载电阻和偏置电压计算负载电阻和偏置电压max（1）当Ub已知时，可计算出负载电导GL或电阻RL（2）当负载电导GL或电阻RL已知时，可计算出偏置电压Ub)()(00maxGGGGGSULLb济南大学物理科学与技术学院16当输入光通量由 变化到 时，输出电压幅度为。max和可由伏安特性曲线H点和M点的电流值计算得到：点）HSGUUUGbL()(minmaxmaxGGSUGULbLmax03.计算输出电压幅度计算输出电压幅度maxmin0maxUUU点）MSGU

11、UUGbL()(max00GGSUGULbLminmax结论结论：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阻成反比。GGSGGSUUULLminmax0max当输入光通量由 变化到 时，输出电压幅度为。max和可由伏安特性曲线H点和M点的电流值计算得到：点）HSGUUUGbL()(minmaxmaxGGSUGULbLmax03.计算输出电压幅度计算输出电压幅度maxmin0maxUUU点）MSGUUUGbL()(max00GGSUGULbLminmax结论结论：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阻成反比。GGSGGSUUULLm

12、inmax0max济南大学物理科学与技术学院17当输入光通量由 变化到 时，输出电流幅度为4.计算输出电流幅度计算输出电流幅度maxminUGIIILminmaxGGSUL)(1GGSGGSILL通常5.计算输出电功率计算输出电功率22)(GGSGUGUIPLLL二、光伏型光电检测电路的静态计算光伏型光电器件的伏安特性，是以一组入射光功率为参量的曲线簇，分布在伏安坐标系的第四象限。由于期间的端电压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，可以对负载供电。有这种伏安特性的光电器件包括光光电池电池和工作于光电池状态下的光电工作于光电池状态下的光电二极管二极管。pUUIeIIT

13、) 1(/0若将伏安特性倒转到第一象限及对电流的正方向做相反规定，伏安特性可表示为：) 1(/0TUUpeIIIoopTIIIIUU)(ln18济南大学物理科学与技术学院19（一）光伏型器件深入电路的形式输入电路的基本形式主要有三种：无偏置电路、偏置电路和太阳能电池电路。（a）无偏置电路：光伏器件直接和负载电阻连接；（b）偏置电路：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，组成方向偏置电路；（c）太阳能电池电路：作为能量变换器使用的太阳能电池充电电路。光电池多采用（a）和（c）电路，光电二极管多采用（b）电路。济南大学物理科学与技术学院20（二）无偏置输入电路的静态计算对无

14、偏置光电池输入电路的等效电路建立电路方程，有利用图解计算法，对给定的输入光通量 0，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IQ与电压UQ即为RL上的输出值。相对0的光通量增量，将形成对应的电流变化I，和电压U。LIRU ) 1(/0TUUPeIII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（a）图中，对应于光通量的增加率 = 1- 2，在短路状态下（即RL=0），输出电流增量I=ISC1-ISC2 ，输出电压为零。随着RL的增大，输出电压随之增大，直到某一临界电阻RM之后负载上的电压变成饱和，而输出电流逐渐变小。另一方

15、面，输入光通量也影响输入电路的工作状态。对确定的负载电阻如RM，当输入光通量较小时负载上的输出电压和电流近似的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和状态。负载电阻愈大情况愈明显。21济南大学物理科学与技术学院22可以定量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，即根据上述公式，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图中。由图可见，根据所选负载电阻的数值可以把光电池的工作曲线分为四个区域，分别是、，对应的四个工作状态为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。) 1(/0TLUIRPeIII00

16、/lnIIRUIUULPT00/lnIIRUIRUUIUPLPLT济南大学物理科学与技术学院231.短路或线性电流放大短路是一种电流变换状态。在此状态下，后续电流放大级作为负载从光电池中吸取最大的输出电流。为此要求负载电阻或后续放大电路输入阻抗尽可能小。由于RL很小，输出电流接近于短路电流，它与光通量有良好的线性关系，即此外，在短路状态下器件噪声电流较低，改善了信噪比，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电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。SIeIIISCRUIRPLTL0/0) 1(SI2.空载电压输出空载电压输出是一种非线

17、性电压变化状态。此时光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。开路电压可写成上式表面光电池的开路电压随入射光通量增大按对数规律增大，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光敏面受光面积的对数成正比。必须指出的是开路电压并不会无限增大，它的最大值受结势垒高度的限制。通常光电池的开路电压为0.45-0.6V,在入射光强从零oTopToopISUIIUIIIqKTUlnln)(ln24到某一定值做跳跃变化的光电开关等应用中简单的利用UOC的电压变化不需加任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的一个优点。由此伏安特性可以看出对于较小的入射光通量，开路电压输

18、出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利。但光电池开路电压与入射光功率呈非线性关系，同时受温度影响大，频率特性不理想。济南大学物理科学与技术学院253.线性电压输出线性电压输出状态在串联的负载电阻上能得到与输入光通量近似成正比的信号电压，负载电阻增大有助于提高输出电压。但当增大到一定临界值时，输出信号开始发生非线性畸变。为了确定负载电阻的临界条件，将电流展开成幂级数形式当 时，忽略高阶项，上式简化为)(! 31)(! 211 2TLTLoTLUIRUIRIUIRSI25MMTSmVIUI)(261/TLUIR由于I0I，所以只要满足条件就可以得到输出电流和输入光功率的线性关系令最大线性允许光电流

19、为IM，相应的光通量为M，则可得输出最大线性电压的临界负载电阻RM为1/TLUIR SITLoURISI/1济南大学物理科学与技术学院26对应于 的输入光功率变化，负载上电压信号的变化为在线性关系要求不高的情况下，可以利用图解法简单的的得到临界电阻RM的值。在电压轴上作临界电压 的垂直线，与对应的伏安曲线相交于M点，这样也可以得到临界电阻飞负载线。由于临界电阻上的电压UM为MMPMmVSSmVIRU)(26)(26maxOCMMMUIRU7 . 0OCMMMUIRU7 . 0所以，近似计算为OC对应max时的值，倍数0.7是经验数据。对应的 输出电压变化为max7 . 07 . 0SUIURO

20、CpOCMmaxmax7 . 07 . 0OCOCPMUSSUIRU济南大学物理科学与技术学院27三、可变电阻型光电检测电路的静态计算阻值随入射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簇。在一定范围内光敏电阻的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，G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，其电阻值表达式为式中，RT为温度T时的电阻，R0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RT为dpGGGIUR11)1 (0TRRT)0TRRT济南大学物理科学与技术学院28（一）简单输入电路

21、最简单的光敏电阻输入电路是线性电路，在建立负载线之后即可确定对应于输入光通量1- 2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可得：LbLRRUILbLLRRURU当输入光通量变化时，光敏电阻阻值变化R从而引起负载电流变化I，将上式求微分得：RRRUILbL2)(22)(LbLRRSRUISRGGSRdp22)(SESGgpLLbLLRRRSRUIRU22)(济南大学物理科学与技术学院29两种典型的工作状态1.恒流偏置当负载电阻比光敏电阻大得多即RLR的情况，这时候可以认为负载电流与光敏电阻阻值无关，近似保持常数。这种电路称作恒流偏置电路。同理上式表明输

22、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。此外可以证明恒流源偏置的电压信噪比较高，因此适用于高灵敏度测量。优点。LbLRUI 22LbLRSRUI但是由于RL很大，为使光敏电阻正常工作的偏置电压则需要很高（达100V以上），这给使用带来不便。缺点。通常可用晶体管实现恒流偏置，如图所示。利用晶体管在线性工作区时集-射极等效交流电阻很大，近似于恒流特性来实现偏置。但但由于电路中引入了晶体管等，将给检测电路引入额外的噪声。济南大学物理科学与技术学院302.恒压偏置如果RLR的情况，则加在光敏电阻上的电压近似为电源电压Ub与R无关。这种电路称作恒压偏置电路。对于响应度要求不是太高，而

23、探测器本身噪声又比较大时，一般都采用这种偏置电路。负载RL上的信号电压为上式表面恒压偏置的输出信号与光敏电阻的阻值无关，仅取决于S，即光电导的相对变化。这样，检测电路在更换光敏电阻值时对电路初始状态影响不大。这是这种电路的优点。LbSRUU（二）电桥输入电路为避免可变电阻型器件收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RT1和RT2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Ub。在无外来辐射照射时，调节补偿电阻R2，使电桥平衡。此时电桥输出信号为U0=0.当有辐射作用于热敏电阻RT1时，温升T引起电阻的改变为式中，R01为热敏电阻RT1的暗电阻。

24、此时电桥平衡破坏，开路电压U0为1221RRRRTTRRRT011222101010)(RRRURRRRRUUTTbb)(221012RRRRRRRUTb)(221012RRRRRRRUTb济南大学物理科学与技术学院32在弱辐射作用下，有 ，取 ，其中R02是RT2的暗电阻。则有由上式课件输出电压U0与热敏电阻变化量R成比例，并与负载电阻R有关。令可计算出当R=R0时U0取最大值，为20010)(RRRRUUb101RRRRRR2100201RRRRRUUb4max000dRdU济南大学物理科学与技术学院33第二节 交变光信号检测电路的设计 光电检测电路接受到的是随时间变化的光信号，如瞬变光信

25、号或各种类型的调制光信号，这类信号称为交变光信号，其特点是信号中包含着丰富的频率分量，当信号微弱时，还需要多级放大等。与缓变光信号检测电路设计不同，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：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最小非线性失真的电信号输出；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光信号进行无频率失真的变化和传输。一、光电信号输入电路动态工作状态的计算一、光电信号输入电路动态工作状态的计算 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。另一方面输入电路和后续电路通常是依靠阻容连接等多种方

26、式向耦合。后续电路的等效输入阻抗和输入电路的直流负载电阻并联作为检测器的交流负载。这是不同于静态计算的主要区别之一。现以光电二极管和光电池为例介绍交流检测电路的动态计算方法。济南大学物理科学与技术学院34（一）光电二极管交流检测电路首先，确定在交变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即 ，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式Rb和RL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Rb和RL的并联电阻决定。交流负载线与光照度E=E0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Rb和电源Ub的值。负载电阻上的输出电压峰值Um可以利用图（b）中阴影线三角形MHQ的数值关系计算。若交流负载的斜率是GL+Gb，设交流负载总电流峰值为Im，则有bLmmGGIUtEmsinEe0mE0E济南大学物理科学与技术学院35图中的线段MH上有电流关系代入上式有负载电阻上的输出功率为式中， 是负载RL上的电流峰值。由PL对RL求偏微分计算最大功率输出下的负载电阻 ，可得阻抗匹配条件下负载的输出电压峰值Um0、最大输出功率有效值PLm、和输出电流峰值Im0为mmEmgUES