实验一光电二极管、光电三极管光照特性的测试

1、实验一光电二极管、光电三极管光照特性的测试掌握光电二极管的工作原理和使用方法。进一步了解光电二极管的光照特性和伏安特性，为设计光电系统前置放大器打下基础。光电二极管是结型半导体光伏探测器件。当入射光子能量大于材料禁带宽度时，半导体吸收光子能量将产生电子空穴对。产生在PN结内的电子空穴对在内建电场（光电二极管工作时加反向偏压Vb）作用下被分离，形成光生电势，产生光电流，如图1所示 图1 光电二极管工作原理图 光电三极管的原理性结构如图2所示。正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路产生

2、了一个被放大的电流： 为电流放大倍数。 图2 光电三极管工作原理图(1)CppIIIE4E3E2E1E0E4E3E2E1E0U I0E4E3E2E1E0E4E3E2E1E0 U I0 图3（a）光电二极管伏安特性曲线 （b）光电三极管伏安特性曲线光电二极管和光电三极管的伏安特性曲线测量光电二极管的光电流和照度特性曲线。测量光电二极管不同照度下的伏安特性曲线。图4 光电二极管光照特性测试装置照度计直流稳压电源A光电探测器调压变压器实验仪器：光电二极管、钨丝灯、调压变压器、照度表、毫安表、直流稳压电源等。实验装置如图4。 掌握硅光电池的正确使用方法。了解光电池零负载，以及不同负载时光电流与照度的关

3、系。光电池具有半导体结型器件无源直接负载下的工作特性，工作原理如图1所示。 RL外接负载为，Ip为光电流，ID为二极管结电流。 光IRLIDI A N P 图1 光电池工作原理图I为通过负载的外电流： 其中ISC为光电流反向饱和电流。当 为温度电压当量时，负载RL上的电压V=IRL 给光电池正向偏压。当零负载时（RL=0），（1）式外电流为短路电流： S为光电流灵敏度，短路电流ISC和照度E成正比。当开路时，（RL=），（1）式外电流I=0则开路电压为： 开路电压Voc与照度E几乎无关；所有照度下的开路电压Voc趋于光电池正向开启电压V伏，并小于这个电压值。/(1)Tv vDscIIIIIeT

4、TKVqscpIISEln(1)pocTSCIVVI最佳负载，负载在RL=0之间变化按经验公式求出最佳负载：u当RLRopt时，并忽略光电池结电流，负载电流近似等于恒定短路电流。u当RLRopt时，光电池结电流按指数增加,负载电流近似于指数形式减小。 m(0.6 0.8)(0.6 0.8)ImococoptscVVVRISE测定电池零负载下Ip和E的关系。测定光电池不同负载情况下特性数据。 硅光电池、照度计、钨丝灯、调压变压器、直流稳压电源、毫伏电压表、微安表、电阻和电位计等。图2 光电池负载实验装置照 度 计调 压 变 压 器 A R5 R6 RLC mv R3100B G1R4VE I2

5、I1 A G 100 光电池负载实验线路装置如图2所示。u光电池受光照后，产生光电流I2。在A、B两点的毫伏电压会产生偏转。调节稳压电源VE后，产生补偿电流I1，I1和光电流I2方向相反。调节电位计R5（粗调）和R6（细调）使补偿电流I1与光电流I2相减，并促使毫伏电压表G1指示为零。此时，表示A点和B点电位相同。相当于光电池在A、B二点外电路为零状态下工作，根据电路平衡条件： 则光电流为：23124()0I RIIR42111431001()()1001002RIIIIRR了解光电倍增管的基本特性。学习光电倍增管基本参数的测量方法。学会正确使用光电倍增管。 工作原理 u光电倍增管是由半透明的

6、光电发射阴极、倍增极和阳极所组成的，由图1所示。图1 光电倍增管外形与结果原理示意图a) 侧窗式b) 端窗式c) 原理示意图u当入射光子照射到半透明的光电阴极K上时，将发射出光电子，被第一倍增极D1与阴极K之间的电场所聚焦并加速后与倍增极D2碰撞，一个光电子从D1撞击出3个以上的新电子，这种新电子叫做二次电子。这些二次电子又被D1D2之间的电场所加速，打到第二个倍增极D2上。并从D2上撞击出更多的新的二次电子。如此继续下去，使电子流迅速倍增。最后被阳极A收集。收集的阳极电子流比阴极发射的电子流一般大105104倍。这就是真空光电倍增管的电子内倍增原理。供电分压器和输出电路 u光电倍增管的极间电

7、压的分配一般是由图2所示的串联电阻分压器执行。u最佳的极间电压分配取决于三个因素：阳极峰值电流、允许的电压波动以及允许的非线性偏离。图2 光电倍增管供电电路-HVD1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D811IA10IK1 2 3 4 5 6 7 8 9KA光电倍增管的特性和参数阴极光照灵敏度 阴极光照灵敏度定义为光电阴极的光电流IK除以入射光通量所得的商： 国际照明委员会的标准光照相应于分布温度为2859K的绝对黑体的辐射。阳极光照灵敏度 阳极光照灵敏度定义为阳极输出电流IA除以入射光通量所得的商：()KKmISA L()AAmISA I电流增益 电流增益定义为在一定的入射光通量和阳极电

8、压下，阳极电流与阴极电流的比值，也可以用阳极光照灵敏度与阴极光照灵敏度的比值来确定，即： 或 暗电流 当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，阳极电路里仍然会出现输出电流，称为暗电流。引起暗电流的因素有：热电子发射、场致发射、放射性同位素的核辐射、光反馈、离子反馈和极间漏电等。AKIGIAKSGSu实验装置如图3。 图3 测试原理图测试室光源室白炽灯白炽灯电源倍增管电源倍增管检流计u本实验选用GB787-74型光电倍增管，其管脚和名称见下图。了解光电三极管和红外发光管的性能、参数及应用。学会拟定、分析光电系统。掌握光电三极管接收及放大电路，红外发光管脉冲调制光源的构成与调试。实验原理u光电控制系

9、统一般由发光部分、接收部分和信号处理部分组成。u本实验采用振荡电路产生的方波信号对红外发光管进行调制，使之输出光脉冲信号，然后由光电三极管接收，放大还原为电信号。u方波脉冲发生器使用555时基集成电路；光电接收电路采用光电三极管组成的放大电路，本实验采用3DU11型。 参考实验电路 发光电路由震荡电路和红外发光管HG413组成，电路图如图1所示。图1 发光电路148237651 R1 2.2K R2 51K C1 0.2F C2 0.01FR3 39 DVCC(+5V) HG413u时基集成块NE555输出震荡频率由外接电阻R1、R2及电容C1决定。u3端为输出端，R3是限流电阻，避免由于电流

10、过大而烧坏红外发光管D，其输出信号为方波，占空比为 。1211.43()fRR C112RRR接收电路由光电三极管、放大驱动电路和负载组成。由于外接负载的不同，所采用的放大电路的形式也很多。u如果负载电流较小，可采用晶体管作放大器，输出端直接带负载（如图2）。 图2 晶体管放大电路T13DU11D(BT201)T23DG6R151K R2 6.2K VCC （+5V）u采用运算放大器作放大电路（如图3）该电路特点是：电路简单，调试方便，工作稳定可靠。但输出电流仍受运算放大器的最大输出电流限制。u如果负载电流较大，或者负载需要较高的电压驱动，那么可以采用继电器进行弱电强电转换（如图4）该电路经继

11、电器后输出电流可较大。但其调试复杂，且电路的可靠性也由于采用的元器件增多而有所下降。组装脉冲发生器电路，并进行调试，先取C1=10F。此时 此频率可由接收部分发光二极管直观地显示出来，便于调试。组装光接收电路，将光脉冲转换为电脉冲。 联调 361.432Hz2.2511010 10f了解相关器的原理。测量相关器的输出特性。测量相关器的抑制干扰能力与抑制白噪声能力。测量相敏检波特性。相关器由相敏检波器与低通滤波器组成，是锁定放大器的核心部件。锁定放大器中的相关器通常采用图1所示的形式，由一个开关式乘法器与低通滤波器组成。sin()AAVVtC0V0ViR1R0VAVB图1 锁定放大器中通常 采用

12、的相关器41(sinsin3.)3BRRVtt相乘电路不是采用模拟乘法器，而是采用开关电路。参考信号VB可以认为是以频率R的单位幅度方波。VA为输入信号，表示为VAVAsin(t+)。当R为信号。R时为噪声或干扰，VA、VB之间的相关差可以由锁定放大器参考通道的相移电路调节，求得图1中Vi和Vo为：式中：iABVVV0002120 1 2.100212002cos(21)1211 (21)cos()1 (21)ARnonRtR CnRR VntQVRnnR CQenR C 、 、12100(21)nRQtgnR C=0当=R时,图1各点的波形如图2所示。 注：图1中低通滤波器为反相输入，因此，

13、输出直流电压与Vi反号，图2中为了更直观起见，画的低通滤波器不倒相， Vo与Vi中的直流分量同号。 对（2）式讨论有下列结论： 时间常数， T1R0C0 当=R时， 输出直流电压与相位成cos关系。奇次谐波能通过并抑制偶次谐波，传输函数和方波的频谱一样，说明相关器是以参考信号频率为参数的方波匹配滤波器。因此，能在噪声中或干扰中检测和参考信号频率相同的方波或正弦波信号。输出Vo与f/fR响应曲线如图3所示。012cosAoRVVR 1/31/51/71/91/111357911 VoffR 图3 Vo f/fR响应曲线 曲线表明在fR的各奇次谐波的响应为基波的1/(2n+1)。 离开奇次谐波频率

14、很快衰减，形成Q值很高的带通滤波器。图4 相关器输入为与参考信号同频的 方波时它的输出直流电压与两者 的相位差成线性关系V0-1+190180-90-180如果输入信号为一恒定和参考方波频率相同的方波信号，则相关器为相敏检波器，输出的直流电压和信号与参考信号两者的相位差成线性关系。 如图4所示，可以作鉴相器使用。等效噪声带宽 基波噪声带宽： 总等效噪声带宽： 式中T为低通滤波器的时间常数。1001122NfR CT2211816NNffTu相关器实验插件盒的相关器电原理框图如图5所示。由加法器、交流放大器、开关式乘法器（PSD）、低通滤波器、直流放大器、参考通道方波形成与驱动电路组成。 图5

15、相关器框图加法器 信号输入信号输入 噪声输入噪声输入 面板控制面板控制信号输入1,10,100 乘法器PSDPSD输出输出 面板控制面板控制 面板控制面板控制低通滤波器T=0.1s,1s,10s直流放大1,10,100直流输出直流输出加法器输出加法器输出 参考输入参考输入方波驱动电路相关器的PSD波形观察及输出电压测量图6 相关器PSD波形观察及输出电压测量框图多功能信号源正弦波输出正弦波输出相关器信号输入信号输入PSD输出输出参考输入参考输入输出输出交流、直流噪声电压表表交流输入交流输入频率计 输入输入宽带相移器输入输入 同相输出同相输出相位计信号输入信号输入 参考输入参考输入 示波器u 按

16、图6所示用电缆或导线连接；接通电源，预热二分钟，调节多功能信号源，使输出频率在10KHz左右。u 调节宽带相移器的相移量观察PSD的输出波形。测量相关器输出的直流电压与相关器输入信号对参考信号之间相位差之间的关系。u 把实测结果与理论公式 对比。式中Vo为相关器输出的直流电压，KAC为交流放大倍数，KDC为直流放大倍数，VA为输入信号的幅值，为参考信号与输入信号之间的相位差。2cosoACDCAVKKV相关器谐波响应的测量与观察 u把上述实验连接图略作如下改变，宽带相移器的输入信号由nf,f/n输出（即n倍频或n分频）送给 。多功能信号源功能“选择”置分频。由于相关器的参考信号为输入信号的1n

17、分频，即相关器的输入信号为参考信号的n倍频。u先置分频数为1，由示波器观察PSD波形及测量PSD输出直流电压，调节相移器的相移，使输出直流电压最大，并观察示波器波形相同于全波整流波形，相位计测量的相位差为0 ? ，记下上述数据。改变分频数n为2、3、4、5，对于某一“n”值重复上述测量。实测结果为：奇次谐波输出的直流响应电压为基波的直流响应电压的1/n，偶次谐波的输出直流响应为0，PSD的输出波形如图7所示。 VA VO VR VPSDt ttt VA VO VR VPSDtttt VA VO VR VPSDtttt图7 相关器谐波响应的各点波形对噪声的抑制与等效噪声带宽 u白噪声电压与带宽有

18、关。多功能信号源中的白噪声发生器是一宽带白噪声源。要确切测量与计数噪声电压，必须要已知噪声带宽，已知噪声带宽可以用高通，低通滤波器组成一个已知通带宽度的带通滤波器来确定。对于二阶有源滤波器信号带宽fs与等效噪声带宽fn有下列关系式决定： 2nsff图8 对噪声的抑制与等效噪声带宽测量框图多功能信号源正弦波输出正弦波输出示波器频率计同相输出同相输出直流输出输出高、低通滤波器输入输入输出输出宽带相移器输入输入相关器信号输入信号输入噪声输入噪声输入参考输入参考输入加法器输出加法器输出PSD输出输出Y1Y2交流白噪声交流、直流、噪声电压表输入输入噪声输出噪声输出X-Y记录仪输入输入输入输入测试方框图如

19、图8所示 u白噪声信号源通过高低通滤波器组成的带通滤波器的限制，使高通、低通滤波器的输出为已知等效噪声带宽的噪声源，输给相关器的噪声，白噪声电压的大小由交流、直流、噪声电压表测量，在测量白噪声电压时，给出的白噪声的均方根电压。相敏检波特性 u实验连线及原理框图同图6。把多功能信号源的输出改成方波输出。工作频率选为250Hz（其它频率都可以）。输入方波信号为1000mV。相关器的参数选择：KAC=1，KDC=1，T1秒。 u改变宽带相移器的相移量。由示波器观察“PSD输出”波形，并测量“相关器输出”的直流电压。用相位计测出不同相移量与输出直流电压值。用坐标纸画出Vo曲线为直线。表明输出直流电压与

20、相移量成线性关系的相敏特性，测360并说明周期性。信号源接头过多，频率计接线可不同时接，可先接频率计后记下频率，再接到其他点去；宽带相移器的相位指示按键不一定准确，以输出直流电压值显示，并结合观察PSD输出的波形为准；倍频、分频输出，单点（红点）按下为板面指示数，多点按下为多点指示数的相加之和。倍频或分频后的相位可能发生改变，应结合PSD波形和直流输出进行调整；本实验中信号源输出频率置1KHz，相关器交流放大倍数置X10档，直流放大倍数置X10档；本实验中所给出的实验调件仅供参考，可以自己拟定条件测量；了解同步积分器的原理。测量同步积分器的输出特性。测量同步积分器的抑制干扰能力与抑制白噪声能力

21、。测量同步积分器的过载电平。测量同步积分器的等效噪声带宽。u同步积分器是一种同步滤波器，同步积分器能在噪声中提取微弱信号，具有很强的抗干扰能力，和相关器一样是微弱信号检测仪器的关键部件之一。由于它输出为交流信号，因此，在使用上有时较相关器具有更多的优点。同步积分器最简单的形式如图1所示。 iVIRu设输入信号为：Iisin(t+)，两电容C分别由电子开关S以参考频率fR交替地接到电阻R上，对输入信号进行积分，可以求得同步积分器的输出电压为： 式中X为单位开关函数，数学表达式为： 略去小项，一级近似为： 式中 ：ooVV X411(sinsin3sin5)35RRRXttt2121220,1,2

22、cos(21)2cos()12112(21)12(21)tRninRConRRntQRIQVenRCnRCn212(21)nRQarctgRCnu由（1），（3）式表明，同步积分器输出为一方波信号，方波频率为R。方波幅度由（3）式决定。通过讨论有下列结论：时间常数：当 时， 对图2所示的同步积分器，2ITRCR2coioRIVcos210iVRRV 奇次谐波能通过，并抑制偶次谐波，传输函数的频谱和方波的频谱一样，说明同步积分器是以参考信号频率为参数的方波匹配滤波器。因此，能在噪声或干扰中检测和参考信号频率相同的方波或正弦波信号。如果输入信号为一幅值恒定和参考方波频率相同的方波信号，则同步积分器

23、输出方波的振幅和信号与参考信号两者的相位差成线性相敏关系。等效噪声带宽： 基波等效噪声带宽： 总等效噪声带宽： 114NfRC218NNff输出波形的观察与输出电压的测量 同步积分器输出波形观察与测试框图如图4。谐波响应的观察与测量 实验连接原理框图见图5。u改变置分频数n，测量对应的n次谐波响应。（因为参考信号频率的n次分频，即输入信号为参考信号的n次倍数），在每置一n值之后，调节相移器相移量使输出方波幅度最大，测出这时的输出电压大小，并用示波器观察输入输出波形。观察波形如图6所示。 抑制不相干信号的测量及过载电平的测量 不相干信号的测试框图如图7。对白噪声的抑制测量 白噪声的抑制与等效噪声

24、带宽的测量框图如图8。相敏特性的测量 相敏特性的测试框图如图9。同步积分器的相敏特性 如图10，同步积分器输入为恒幅方波时，输出幅度与相位差成线性关系。了解多点信号平均器的原理。观察与测量多点信号平均器的输出特性。观察与测量多点信号平均器的抑制噪声力。周期信号的波形复现 u多点信号平均器是一种信号处理装置，能从较强的干扰和噪声中提取信号，依据时域特性的取样平均来改善信噪比，复现被噪声淹没的信号波形，它适用于重复信号的波形复现，在信号出现之后依次取多个信号样品，并按固定频率重复取样，把每一个周期的许多取样信号，依次一一对应相加求平均，从而有效地改善了信噪比。对于多点信号平均器可以由数字存储器或模

25、拟存储器来实现求和平均，但是原理相同。u模拟多点信号平均器的核心是门积分电路，门积分电路的单元电路如图1所示。u设控制开关的门脉冲的周期为TR，门宽为Tg，引入单位幅度的门脉冲函数 fo（t）， 式中 为相对门宽， 为门脉冲的圆频率。 波形如图2所示。 121sinonftnRTngRTT2RRTu门积分电路的门接通时，积分电阻为R，门断开时，积分电阻为。引入单位幅度的门脉冲函数后，积分电阻与开关能用等效积分电阻Re置换。u于是，门积分电路便可用图3表示，形式上与普通积分电路相同，只是电阻值是时间的函数。 eoRRftu积分电路的微分方程为： 设 把式（4）代入式（3），解微分方程得： cos

26、iiVVt ooieedVVVdtCRtCRt22cos()cos()1 (/ )1 (/ )tRtoitVVeRCRC12cos()1 sin()1 ()inVn R tnnRCn R22cos()cos()1 ()1 ()tRCn R teRCRCn Rn R2cos()1 ()tRCeRCn R 式中 根据物理意义简化式（5），对于多点信号平均器， 通常有 若被测信号中不含有直流项或不需要直流项， 还有 因此有：RCarctg()n R RCarctg()1n R RC1RC211()1 RCn R2111 ()RC 于是，式（5）简化为： 式（8）为门积分电路的传输函数。若考虑输入信号

27、频率接近于直流，则式（5）中只有前两项比较大，其它项可以忽略，于是 这个电路相当于电阻为R/，电容为C的低通RC滤波器。 122cos()1 sincos()1 ()1 ()tiRConVnn R tVenRCRCn Rn R22cos()cos()1()1()tRCoitVVeRCRC 等效噪声带宽 门积分电路对不相干信号的抑制能力，可以由传输函数直接求得。而对白噪声的抑制能力用等效噪声带宽计算更简单。 根据定义等效噪声带宽可表示为： 是n次谐波相对于基波的归一化传输函数 将式（11）代入式（10），得： 由此可知，fNn是、RC和n的函数。fNn2nNnfK dfKn2sin1sin21(

28、)nnKnRC f222sin ()2sin ()nNnfRC n基波处的等效噪声带宽总等效噪声带宽 有限带宽噪声 设低通滤波器的带宽 ，此滤波器只能通过低于L次谐波的频率。这时总的等效噪声带宽为基波到第L次谐波处的等效噪声带宽之和。直流附近的等效噪声带宽 若门积分电路的前级是直接耦合的直流放大器，就要考虑直流（或称零频）附近的等效噪声带宽在数值上与基波处相等。12NfRC1NNnnfffLfNRi2221sin2sinLNnnfRCn2NDfRC 信噪比的改善 对不相干信号的抑制能力 设某一不相干信号的频率为 ，并在第P次谐波附近，有 。 求得输出电压相对于输入电压的传输函数为： 通常有 故式（17）化简为 fdfPffdRd sin121()pdPKPRCf1.2/1PRC fd2KpRC fd对窄带噪声的抑制能力 输入端的白噪声带宽 ，对于白噪声，输出端相对于输入端的信噪比改善为： 若 用式（15）来表示，并以 代入式（19）则： 当 时， 则 只有当取样门很窄而输入白噪声