第四章光电信号检测电路一

1、第四章第四章 光电信号检测电路光电信号检测电路 电科电科08 (系统设计方向系统设计方向) 2011 2011年年 丁志群丁志群 制制第四章第四章 光电信号检测电路光电信号检测电路本章内容：本章内容： 4-1 光电检测电路的设计要求光电检测电路的设计要求 4-2 光电信号输入电路的静态计算光电信号输入电路的静态计算 1.恒流源型器件恒流源型器件光电信号输入电路光电信号输入电路 2.光伏型器件光伏型器件光电信号输入电路光电信号输入电路 3.可变电阻型可变电阻型光电信号输入电路光电信号输入电路 4-3 光电信号检测电路的动态计算光电信号检测电路的动态计算 4-4 光电信号检测电路的噪声光电信号检测

2、电路的噪声 4-5 前置放大电路前置放大电路 对于大多数的光电装置，光电器件需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，光电检测电路是由变换作用。通常，光电检测电路是由光电检测器件光电检测器件、输入电路输入电路和和前置放大前置放大器器组成。组成。 光电检测器件光电检测器件 光电转换的核心器件，将光信号转化成电信号。光电转换的核心器件，将光信号转化成电信号。 输入电路输入电路 为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换，同时和前置放大器电路匹配。变换，同时和前置放大器电路匹配。 前

3、置放大器前置放大器 将微弱的光信号进行放大，匹配后置处理器与光电将微弱的光信号进行放大，匹配后置处理器与光电探测器之间的阻抗。探测器之间的阻抗。 灵敏的光电转换能力灵敏的光电转换能力 光电灵敏度：光电灵敏度：单位输入光信号变化量所引起的输出电信号的变单位输入光信号变化量所引起的输出电信号的变化量。使给定的输入光信号在允许的非线性失真条件下有最佳化量。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。的信号传输系数，得到最大的功率、电压或电流输出。 快速的动态响应特性快速的动态响应特性 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。满足信号通

4、道所要求的频率选择性或对瞬变信号的快速响应。 最佳的信号检测能力最佳的信号检测能力 主要指输出信号中有用成分的多少。具有为可靠检测所必主要指输出信号中有用成分的多少。具有为可靠检测所必需的信噪比或最小可检测信号功率。需的信噪比或最小可检测信号功率。 长期工作的稳定性和可靠性长期工作的稳定性和可靠性 恶劣环境下正常工作的能力（航空，天文）恶劣环境下正常工作的能力（航空，天文）4-1 光电检测电路的设计要求光电检测电路的设计要求根据上述要求，根据上述要求，检测电路的设计步骤检测电路的设计步骤通常包括：通常包括： 输入电路静态计算输入电路静态计算 输入电路动态计算输入电路动态计算 噪声估算噪声估算4

5、-2 光电信号输入电路的静态计算光电信号输入电路的静态计算 检测电路的静态设计检测电路的静态设计：光电器件的选择光电器件的选择和和输入电路的静态计算输入电路的静态计算。 输入电路输入电路是连接光电器件和电信号放大器是连接光电器件和电信号放大器的中间环节，它的的中间环节，它的基本作用基本作用是为光电器件是为光电器件提供正常的电路工作条件，进行电参量的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），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。同时完成和前置放大器的电路匹配。 输入电路的设计输入电路的设计应根据电信号的性质、大小，应根据电信号的性质、大

6、小，光学的和器件的噪声电平等初始条件以及输出电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：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）灵敏的光电转换能力 2）快速的动态响应能力）快速的动态响应能力 3）最佳的信号检测能力）最佳的信号检测能力 4）长期工作的稳定性和可靠性）长期工作的稳定性和可靠性 光电检测电路的设计任务光电检测电路的设计任务: 根据入射光信号的性

7、质和大小来选择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。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。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非线性，一般

8、采用非线性电路的图解法图解法和和分段线性化的分段线性化的解析法解析法来计算。来计算。 根据器件伏安特性的性质分作：根据器件伏安特性的性质分作：恒流源型恒流源型、光伏型光伏型和和可变电阻型可变电阻型三种基本类型，并且三种基本类型，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状态下的电路计算方法。 4.2.1 恒流源型光电器件输入电路的静态计算恒流源型光电器件输入电路的静态计算恒流源型光电检测器件的伏安特性恒流源型光电检测器件的伏安特性a) 光电倍增管光电倍增管 b) 光电二极管光电二极管 c) 光电三极管光电三极管 恒流源型光电检测器件的伏安特

9、性是一组恒流源型光电检测器件的伏安特性是一组以输入光照度以输入光照度 E 或光通量或光通量为参量的曲线为参量的曲线组。组。 在工作电压较小的范围内曲线呈弯曲在工作电压较小的范围内曲线呈弯曲 的趋的趋势，并且有一转折点势，并且有一转折点M。 工作电压加大后曲线逐渐平直。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输出电流变化不大的 性质称恒流源特性。性质称恒流源特性。 具有这种伏安特性的光电检测器件有光电具有这种伏安特性的光电检测器件有光电管，光电倍

10、增管和工作于反向偏置电压状管，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的光电流是由输入光功率控制,晶体三极管晶体三极管是由基极电流控制。是由基极电流控制。 这表明，可以采用与这表明，可以采用与 晶体管放大器相类似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。的方法对恒流型光电器件进行分析和计算。 1图解计算法图解计算法 计算光电二极管输入电路的图解法计算光电

11、二极管输入电路的图解法a) 基本电路基本电路 b) 图解法计算图解法计算 利用包含非线性元件的串联电路的图解法：利用包含非线性元件的串联电路的图解法： 图图a给出了在反向偏置电压作用下光电二极管的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。图中基本输入电路。图中Ub是反向偏置电压，是反向偏置电压，RL是负是负载电阻，与输入光通量载电阻，与输入光通量成正比的电压信号成正比的电压信号Uo就就是从是从RL的两端输出的。的两端输出的。Ub、RL和光电二极管和光电二极管V串串联连接。对于这种简单电路可列出回路方程。联连接。对于这种简单电路可列出回路方程。UbU(I)+IRL或 U(I)Ub-IR

12、L 式中，式中，U(I)是非线性函数。上式可利用图解是非线性函数。上式可利用图解法进行计算。如图法进行计算。如图b，在伏安特性上划出负，在伏安特性上划出负载线载线Ub-IRL，它是斜率为，它是斜率为-1/RL，通过，通过UUb点的直线，与纵轴交于点的直线，与纵轴交于Ub/RL点上。点上。UbU(I)+IRL或 U(I)Ub-IRL 由于串联回路中流过各回路元件的电流相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等，负载线和对应于输入光通量为o时的时的器件伏安特性曲线的交点器件伏安特性曲线的交点 Q 即为输入电路即为输入电路的静态工作点。的静态工作点。 当输入光通量由当输入

13、光通量由o改变改变+（或（或-）时，）时，在负载电阻在负载电阻RL上会产生上会产生-U（或（或+U）的）的电压信号输出和电压信号输出和+I（或（或-I）的电流信号）的电流信号输出。输出。 图解法特别适用于图解法特别适用于大信号状态大信号状态下的电路分析。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。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器件超

14、过其最大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率。耗散功率。 输入电路参数输入电路参数RL和和Ub对输出信号的影响对输出信号的影响a) 负载电阻影响负载电阻影响 b) 电源电压影响电源电压影响 在图在图a中，当偏置电压中，当偏置电压Ub不变时，对于同样不变时，对于同样的输入光通量的输入光通量o，负载电阻，负载电阻RL的减小的减小会增大输出信号电流而使输出电压减小。会增大输出信号电流而使输出电压减小。 但但RL的减小会受到最大工作电流和功耗的限的减小会受到最大工作电流和功耗的限制。制。 为了提高输出信号电压应增大为了提高输出信号电压应增大RL，但过大的，但过大的RL会使负载线越过特性曲线的转折点会使

15、负载线越过特性曲线的转折点M进入进入非线性区，而在这个范围内光电灵敏度非线性区，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不再是常数，这会使输出信号的波形发生畸变。形发生畸变。 另一方面，在图另一方面，在图b中，对应于相同的中，对应于相同的RL值，当偏值，当偏置电压置电压Ub增大时输出信号电压的幅度也随之增大，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并且过大的偏置电压会引起光电二极管的反向击穿。穿。 利用图解法确定输入电路的负载电阻利用图解法确定输入电路

16、的负载电阻RL和反向偏和反向偏压压Ub值时，应根据输入光通量的变化范围和输出值时，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信号的幅度要求使负载线稍高于转折点M，以便，以便得到不失真的最大电压输出，同时保证得到不失真的最大电压输出，同时保证Ub不大于不大于器件的最大工作电压器件的最大工作电压Umax。 举例举例2解析计算法解析计算法 1/gRG伏安特性的分段折线化和微变等效电路伏安特性的分段折线化和微变等效电路a) 折线化一折线化一 b) 折线化二折线化二 c) 等效电路等效电路 如图所示的折线化伏安特性。它是实际非线性伏如图所示的折线化伏安特性。它是实际非线性伏安特性

17、的分段折线化，近似画法视伏安特性形状安特性的分段折线化，近似画法视伏安特性形状而异。而异。 通常是在转折点通常是在转折点 M处将曲线分作两个区域。处将曲线分作两个区域。 在图在图a的情况下是作直线与原曲线相切；在图的情况下是作直线与原曲线相切；在图b情情况下是过转折点况下是过转折点M和原点和原点0连线，得到折线化特连线，得到折线化特性的非线性部分，再用一组平行的直线性的非线性部分，再用一组平行的直线 分别和实分别和实际曲线的恒流部分逼近，得到折线的线性工作部际曲线的恒流部分逼近，得到折线的线性工作部分。分。 折线化伏安特性可用下列参数确定：折线化伏安特性可用下列参数确定： a）转折电压）转折电

18、压U0：对应于曲线转折点：对应于曲线转折点M处的电压值。处的电压值。 b）初始电导）初始电导G0：线性区近似直线的初始斜率。：线性区近似直线的初始斜率。 c）结间漏电导）结间漏电导G：线性区内各平行直线的平均斜：线性区内各平行直线的平均斜 率。率。 d）光电灵敏度）光电灵敏度S：单位输入光功率所引起的光电流值。：单位输入光功率所引起的光电流值。设输入光功率为设输入光功率为P，对应的光电流为，对应的光电流为Ip，则有，则有 SIp /P 式中的光功率式中的光功率P可以是光通量可以是光通量，也可以是光照度，也可以是光照度E。光通量和照度之间的关系为：光通量和照度之间的关系为： AE 其中，其中，A

19、为光敏面受光面积。为光敏面受光面积。 利用折线化的伏安特性，可将线性区内任意利用折线化的伏安特性，可将线性区内任意Q点点处的电流值处的电流值I表示为两个电流分量的组合：即与二表示为两个电流分量的组合：即与二极管端电压极管端电压U成正比，由结间漏电导形成的无光成正比，由结间漏电导形成的无光照电流（暗电流）照电流（暗电流）Id和与端电压无关仅取决于输和与端电压无关仅取决于输入光功率的光电流入光功率的光电流Ip。因此，在线性区内的伏安。因此，在线性区内的伏安特性可以解析地表示为特性可以解析地表示为 I=f(U,)=Id+Ip=GU+S当输入光通量在确定的工作点附近作微量变化时，当输入光通量在确定的工

20、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只需对上式作全微分即可得到微变等效方程为 IIdIdUdgdUsdU 式中，式中， 是微变等效漏电导是微变等效漏电导 ;IgUIs 是微光电灵敏度，是微光电灵敏度， 它们是伏安特性的微变参数。它们是伏安特性的微变参数。 在输入光通量变化范在输入光通量变化范围围minmax为已为已知的条件下，用解析知的条件下，用解析法计算输入电路的工法计算输入电路的工作状态可按下列步骤作状态可按下列步骤进行。进行。 用解析法计算输入电路用解析法计算输入电路a) 确定线性区确定线性区 b) 计算输出信号计算输出信号1）确定线性工作区域）确定线性工作区域

21、 由对应最大输入光通量由对应最大输入光通量max的伏安曲线弯曲处即的伏安曲线弯曲处即可确定转折点可确定转折点M。相应的转折电压。相应的转折电压U0或初始电导值或初始电导值G0可由上图可由上图a中图示关系决定。在线段中图示关系决定。在线段MN上有关系上有关系 G0U0GU0+Smax 由此可解得由此可解得 U0Smax/(G0-G)或或 G0G+Smax/U0上式给出了折线化伏安特性四个基本参数上式给出了折线化伏安特性四个基本参数U0、G0、G和和S间的关系。间的关系。2）计算负载电阻和偏置电压）计算负载电阻和偏置电压 为保证最大线性输出条件，负载线和与为保证最大线性输出条件，负载线和与max对

22、应的对应的伏安曲线的交点不能低于转折点伏安曲线的交点不能低于转折点M。设负载线通过。设负载线通过M点，点，此时由上图此时由上图a中的图示关系可得中的图示关系可得 (Ub-U0)GLG0U0 当已知当已知Ub时，可计算出负载电导（阻）时，可计算出负载电导（阻）GL为为 GLG0U0/(Ub-U0)Smax/Ub(1-G/G0)-Smax/G0) 当当RL1/GL已知时，可计算偏置电源电压已知时，可计算偏置电源电压Ub为为 UbSmax(GL+G0)/GL(G0-G) 3）计算输出电压幅度）计算输出电压幅度 由上图由上图b，当输入光通量由，当输入光通量由min变化到变化到max时，输出时，输出电压

23、幅度为电压幅度为UUmax-U0，其中，其中Umax和和U0可由图中可由图中M和和H点的电流值计算得到点的电流值计算得到 在在H点：点：GL(Ub-Umax)=GUmax+Smin 在在M点：点：GL(Ub-U0)=GU0+Smax 解上二式得解上二式得 Umax(GLUb-Smin)/(G+GL) U0(GLUb-Smax)/(G+GL) US(max-min)/(G+GL)S/(G+GL) 上式表明输出电压幅度与输入光通量的增量和光电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。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）计算

24、输出电流幅度 由上图由上图b，输出电流幅度为：，输出电流幅度为： IImax-IminUGL 可得可得 IGLUS(max-min)/(1+G/GL) 通常通常GLG，上式可简化为，上式可简化为 IS(max-min)S 5）计算输出电功率）计算输出电功率 由功率关系由功率关系P=IU可得可得 PGL(U)2GLS/(G+GL)2光伏型输入电路的静态计算光伏型输入电路的静态计算 4.2.2 光伏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 光伏型光电器件的伏安特性是一组以入射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光功率为参量的曲线组，分布在

25、伏安坐标系的第四象限。由于器件的端电压第四象限。由于器件的端电压U和电流和电流I的方向的方向相反，对外电路形成电势，所以具有赋能元件相反，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。的性质，可对负载供电。 有这种伏安特性的光电器件包括有这种伏安特性的光电器件包括光电池光电池和和工作于光电池状态下的工作于光电池状态下的光电二级管光电二级管为例。为例。光电池光电池(photovoltaic cell)是一种直接将光能转换为是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加就是电源，电路中有了这种

26、器件就不需要外加电源。电源。 硅光电池的伏安特性曲线硅光电池的伏安特性曲线 图 4-2 硅光电池原理图 (a) 结构示意图； (b) 等效电路 A硼扩散层SiO2膜P型电极N型硅片PN结电极AII(a)(b)光伏型光电器件的伏安特性和等效电路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写成如下形式光电池的输出电流可写成如下形式 II0(eU/UT-1)-Ip式中式中 UTkT/q26mV （T300K），），IpSE 在使伏安特性倒转到第一象限的情况下，伏在使伏安特性倒转到第一象限的情况下，伏安特性可表示为安特性可表示为 IIp-I0(eU/UT-1) 或或 UUTlnI-(Ip+I

27、0)/I0 相应的等效电路表示在上图相应的等效电路表示在上图b中。光伏型光中。光伏型光电器件输入电路的计算将根据前述的表达式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。和相应的伏安曲线以及电路方程进行。三种基本的光伏器件输入电路的型式三种基本的光伏器件输入电路的型式a) 无偏置电路无偏置电路 b) 偏置电路偏置电路 c) 太阳能电池电路太阳能电池电路图图a是光伏器件直接和负载电阻连接的电路，称作无偏置是光伏器件直接和负载电阻连接的电路，称作无偏置电路。电路。图图b的电路中，负载电阻上除串联光伏器件外尚有的电路中，负载电阻上除串联光伏器件外尚有 与器与器件端电压相反方

28、向的偏置电源，组成反向偏置电路。件端电压相反方向的偏置电源，组成反向偏置电路。图图c是作为能源变换器使用的太阳能电池充电电路。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通常光电池多采用上图a和和c的电路，光电二极管多采的电路，光电二极管多采 用用上图上图b的电路。的电路。 1.无偏置电路的静态计算方法无偏置电路的静态计算方法 无偏置状态下光电池的输入等效电路和图解法无偏置状态下光电池的输入等效电路和图解法 上图给出了无偏置光电池输入电路的等效电路（图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（图及其计算图解（图b）。）。对图对图a的回路建立电路方程，有的回

29、路建立电路方程，有 UIRL和和IIp-I0(eU/UT-1) 利用图解计算法，对给定的输入光通量利用图解计算法，对给定的输入光通量0，只，只要选定负载电阻要选定负载电阻RL，工作点，工作点Q即可由负载线与光即可由负载线与光电池相应的伏安曲线的交点确定。该点处的电流电池相应的伏安曲线的交点确定。该点处的电流电压值电压值IQ与与UQ即为即为RL上的输出值。相对上的输出值。相对0的光通的光通量增量量增量将形成对应的电流变化将形成对应的电流变化I和电压变和电压变化化U。 负载电阻对光电池输出电压电流和功率的影响负载电阻对光电池输出电压电流和功率的影响 由于光电池特性的非线性，负载电阻的选择会影响光电

30、池的输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。例如在上图出信号。例如在上图a中，对应光通量的增量中，对应光通量的增量1-2，在短，在短路状态下（路状态下（RL0），输出电流增量），输出电流增量IIsc1-Isc2，输出电压为零。，输出电压为零。随着随着RL的增大，电流逐渐变小，输出电压随之增大，直到某一的增大，电流逐渐变小，输出电压随之增大，直到某一临界电阻临界电阻RL之后负载上的电压变得饱合（见上图之后负载上的电压变得饱合（见上图b）。）。 另一方面，输入光通量也影响输入电路的工作状另一方面，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态。由图

31、中可以看出，对确定的负载电阻如Rs，当输入光通量较小时负载上的输出电流和电压近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（如图中载电阻愈大情况愈明显（如图中R2的情况）。的情况）。 可以定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工可以定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态（作状态（I、U、P）的影响：）的影响： IIp-I0(eIRL/UT-1) UUTln(Ip-U/RL+I0)/I0 和和 PIU(UTU

32、/RL)ln(Ip-U/RL+I0)/I0 根据上述公式，在同一入射光通量下，负载电阻对光根据上述公式，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电池输出电压、电流、功率的影响曲线表示在上图b中。中。 由上图由上图b可见，根据选用负载电阻的数值可以把光可见，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，分别由压输出、线性电压放大和功率放大四个区域，分别由图中图中、表示。下面讨论前三种工作状态。表示。下面讨论前三种工作状态。1）短路或线性电流放大）

33、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。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。为此要求负载电阻或后续放大器输入阻抗尽可能小。 由上图由上图a中可看到由于中可看到由于RL很小，输出电流接近于很小，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，短路电流，它与入射光通量有良好的线性关系，即即 IIp-I0(eIRL/UT-1)|RL0IscS 及及 IS 此外，在短路状态下器件噪声电流较低，信噪此外，在短路状态下器件噪声电流较低

34、，信噪比改善，所以最适用于弱光信号的检测。比改善，所以最适用于弱光信号的检测。短路电流和开路电压随受光面积的变化曲线短路电流和开路电压随受光面积的变化曲线 短路电流随受光面积的大小而改变，同一片光电池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，图中变化曲线表示在下图中，图中A为受光面积。为受光面积。 2.空载电压输出空载电压输出 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，通过高输入阻抗变换器与前级放大电路连接

35、，相当于输出开路。开路电压可写成相当于输出开路。开路电压可写成 Uoc(KT/q)ln(Ip/I0+1)UTln(Ip/I0)UTln(S/I0) 上式表明开路电压与入射光通量的对数成正比。上式表明开路电压与入射光通量的对数成正比。并且由于并且由于Ip与光电池面积成正比，所以同一光电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，如池的开路电压与光电池面积的对数成正比，如上图所示。上图所示。 已知在给定入射光功率（光照度已知在给定入射光功率（光照度E或光通量或光通量）下的开路电压下的开路电压Uoc，可以求出另一个入射光功率，可以求出另一个入射光功率（光照度（光照度E或光通

36、量或光通量）下的开路电压）下的开路电压Uoc。由。由上式，有上式，有 UocUTlnIp-UTlnI0 和和 UocUTlnIp-UTlnI0 联立求解上二式，有联立求解上二式，有 UocUoc-UTlnIp+UTlnIpUoc+UTln(Ip/Ip) 所以所以 UocUoc+UTln(/)Uoc+UTln(E/E) 通常光电池的开路电压为通常光电池的开路电压为0.450.6V，在入射光，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中简单地利用Uoc的电压变化不需加任何偏置电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。

37、此外，由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。也较大，这是它的不足之处。 3.线性电压输出线性电压输出 由图负载电阻对光电池输出电压电流和功率的影由图负载电阻对光电池输出电压电流和功率的影响中响中b的的区域可见，这种工作状态在串联负载区域可见，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电阻上能得

38、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，可利用式条件，可利用式 IIp-I0(eIRL/UT-1) 显然，在显然，在RL很大时式中的指数项不能忽略。将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，上式可简化为上式展开成幂级数，忽略高阶项，上式可简化为 IS 上式要求上式要求I0RL/UT1。由于。由于I0I，所以只要满足，所以只要满足条件条件 IRL/UT1 就可以得到输出电流和输入光强的线性关系。令就可以得到输出电

39、流和输入光强的线性关系。令最大线性允许光电流为最大线性允许光电流为Is，相应的光通量为，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则可得到输出最大线性电压的临界负载电阻Rs为为 RsUT/Is26mV/Ss 对于交变信号情况，对应对于交变信号情况，对应max的输入的输入光强变化，负载上的电压信号为光强变化，负载上的电压信号为 URsIp(26mV/Ss)S 26mV(/max)光电池近似线性区间的确定光电池近似线性区间的确定 在线性关系要求不高的情况下，可以利用图解法简单地得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到临界电阻Rs值。此时，在电压轴上选取临界电压

40、值。此时，在电压轴上选取临界电压Us0.6Uoc的垂直线，与对应伏安曲线相交于的垂直线，与对应伏安曲线相交于S点，这样也可点，这样也可以得到临界电阻的负载线。此处倍数以得到临界电阻的负载线。此处倍数0.6是经验数据。是经验数据。 由于临界电阻由于临界电阻Rs上的电压上的电压Us为为 UsRsIs0.6Uoc 所以，所以，Rs值可近似计算为值可近似计算为 Rs0.6Uoc/Ip0.6Uoc/Smax 式中，式中，Uoc是对应是对应max时的值。时的值。 对应的输出电压的变化为对应的输出电压的变化为 URsIp(0.6Uoc/Smax)S 0.6Uoc(/max)4.2.3可变电阻型光电器件输入电

41、路的静态计算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，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仅取决于输入光通量或光照度或光照度E，并有，并有 R = U/I= 1/G = 1/(Gp+Gd) 式中，式中，Gp=SgE=S是亮电导，是亮电导，Gd是暗电导。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，其电阻值表达式为器件，其电阻

42、值表达式为 RTR0(1T) 式中，式中，RT为温度为温度T时的电阻，时的电阻，R0为温度为温度T=0时的电时的电阻，阻，为电阻温度系数，为电阻温度系数，T为温度。为温度。 当温度变化当温度变化T时，电阻的变化量时，电阻的变化量RT为为 RTR0T最简单的光敏电阻电路和电路图解法最简单的光敏电阻电路和电路图解法a) 光敏电阻电路光敏电阻电路 b) 图解法图解法1简单输入电路简单输入电路 电路的图解计算电路的图解计算法表示在图法表示在图b中。这中。这是一个线性电路的计是一个线性电路的计算，在建立负载线之算，在建立负载线之后即可确定对应于输后即可确定对应于输入光通量入光通量31变化变化的负载电阻上

43、的输出的负载电阻上的输出信号。信号。 电路的工作状态也可以用解析法按线性电路电路的工作状态也可以用解析法按线性电路规律计算，由图规律计算，由图a有有 ILUb/(R+RL) ULUbRL/(R+RL) 当输入光通量变化时，通过光敏电阻的变当输入光通量变化时，通过光敏电阻的变化化R而引起负载电流的变化而引起负载电流的变化I，有，有 IR2UbS/(R+RL)2 UIRLRLR2UbS/(R+RL)2 上两式给出了由于输出光通量的变化上两式给出了由于输出光通量的变化引起引起的负载电流和电压的变化量。下面讨论两种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。典型的工作状态。1）恒流偏置）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在输入电路中的负载电阻比光敏电阻大得多的条件下有RLR，此时负载电流，此时负