光电探测器偏置电路

1、光电探测器偏置电路课件第1页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一4.2光电探测器的偏置电路偏置：在探测器上加一定的偏流和偏压使探测器能在电状态正常工作，输出光电信号。目的：取出光电信号。偏置电路的设计依据：器件的伏安特性同晶体管加电源和偏置电路选取适当工作点的情况类似。第2页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一4.2.1光电导探测器（PC）的偏置电路4.2.2光伏探测器（PV）的偏置电路主要内容第3页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一探测器的伏安特性分三种类型：可变电阻型 光生电势型 恒流型PC器件电阻型热探测器（加偏置，不分正负） PV

2、器件，PMT（加反向偏置） 光电池（不加偏置 ） 第4页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一4.2.1 光电导探测器的偏置一、基本偏置电路分析偏置电流：设光照射在探测器上，其电阻值变化为RS，则电流变化即信号电流iS为：RS:光敏电阻；RL：偏置电阻第5页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一输出点A的直流电压： 信号电压为： 分析：a)VS与VB的关系 VBVS 但太大,功耗Pm损坏器件 第6页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一例：化学沉淀PbS最大功耗Pm为0.2瓦每平方厘米,使用时要低于比值，取0.1瓦每平方厘米推导最大功耗Pm与VB

3、的关系： Ad: 探测器光敏面积,平方厘米，RL，RS为电阻单位，VBmax为V单位 第7页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一b）VS与RL的关系 令上式=0则 时，有极大值： 这时叫功率匹配, 信号电压最大。第8页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一c) 最佳偏置条件的确定 在偏置电流Il一定条件下,由上式可知：RlVs。但实际上当负载电阻RL时,为保持固定的Il,应该VB 第9页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一二、光电导探测器三种特殊偏置方式及其特点分析1.三种常用的偏置方式1）恒流偏置当选定RLRs ，则 与Rs无关。 即在工作

4、过程中流过探测器的电流是一恒定电流。 第10页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一第11页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一当选RLG，上式简化为I=S5）计算输出功率 第37页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一（二）光生电势型探测电路的静态计算 Id ：与温度有关的二极管结电流 光电流 开路电压 电流电压特性方程 短路电流 第38页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一当有则：得：室温时 T=300K ，则 ：利用上式，可在已知、Voc时，计算另一 下的 Voc 第39页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，

5、星期一1.无偏置的光电池电路： 由伏安曲线，对于给定的0，只要选定RL，工作点就能由负载线与光电池相应伏安曲线的交点决定。该点的IQ和VQ即为RL上的输出值。由图知：对应相同的=12，当RL RLS时，呈非线性，在检测电路中往往希望线性。 第40页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一计算临界电阻RLS由给定的max，利用算出VOC。 取交于S点，得到临界负载RLS,即临界电阻RLS上的Vmax为则 :第41页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一线性区工作分两种情况：1）电流放大：要求RL与后级放大器的输入阻抗尽量小，使负载线靠近电流轴以得到最大的电流输出。输

6、出电流变为ISC和有良好的线性关系 2）电压放大：在保持良好线性情况下，有最大的电压输出，负载线可接近临界负载线，则输出电压为: 第42页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一非线性区:当RL RLS时，输入电路处于非线性区。这时，除在光电流较小范围内有一很窄的线性区外，V与的对数成正比。对于较小的，开始的信号电压输出幅度较大。这一点对于探测弱信号特别有利。 第43页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一例:光电池在光照度为100lx时，开路电压为VOC=180mV, ISC=80A ，求在由50lx增加到200lx时，为保证线性输出所需最佳负载电阻值和输出电压

7、变化量。 解：（1）计算200lx下的开路电压 （2）计算线性区域内光电池的电流响应度 （3）计算无偏压时最佳电阻和输出电压变化量 第44页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一四、PV器件动态工作状态设计交变光信号是指快速变化或各类型调制光信号。在分析和设计交变光信号探测电路时应考虑到下述几个问题：1.确定探测电路动态工作点。2.确定光信号频率不失真的动态响应。3.满足信号频率要求下的信噪比。 第45页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一输入电路动态工作点的计算交变电路中首先建立直流工作点以获得最大的输出。另一方面输入电路与后续电路通常由阻容连接等多种方式实

8、现耦合。后续电路的等效输入阻抗将和输入的直流负载电阻相并联组成交流负载。在设计和分析输入电路时，这是不同于前述静态工作点计算的主要区别之一。 第46页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一1.光电二极管交流探测电路如图为反偏压PD的交变光探测基本电路。1）计算在已知偏压Vb和光照度E时，负载电阻RL应取多大才能获得最大功率和线性电压输出。 设入射照度变化： 光照度变化范围: 在信号频带范围内，耦合电容C可以认为是短路。等效交流负载电阻：第47页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一假定交流负载线为MN，它过M点，斜率由RL/Rb决定。交流负载线与光照度E=E0对

9、应的伏安特性相交于Q点，则过Q点的斜率为Gb的直线即为直流负载线。 为了充分利用器件的线性区间，对应的负载线应通过特性曲线的转折点M。第48页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一2）计算RL上的输出功率PL和电压值Vm交流负载上的输出功率为:Vm 、Im与Em对应的幅值负载电阻RL上输出功率Vm是RL上的电压值。 在MHQ中，交流负载线斜率为： 第49页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一由图中几何关系得: 得: 将PL对GL求偏微分，得最大功率输出条件为: 第50页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一则有：第51页，共59页，2022年，

10、5月20日，4点23分，星期一当已知电源电压Vb时，根据动态工作点和静态工作点重合于Q点的条件，可计算出最大功率输出条件下偏置电阻Rb。中：且比较可得 ：最大功率输出条件下偏置电阻Rb第52页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一在最大功率输出条件下，根据图中几何关系有比较两式得，在最大功率输出下的偏置电阻值第53页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一2.光电池交流检测电路 静态工作点： 通过原点作直流负载线与E=E0交点Q交流负载线: 过Q点，斜率为: 与最大输入光功率E0+Em 对应的光电池曲线相交于M点。 M点的电压VM应满足 : Vm是与正弦输入光照度对应的输出电压峰值. 第54页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一由图可知: 输出负载RL上的功率值PL为: 将PL对GL求微分，可得最大功率输出条件： 第55页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一得最大功率输出时 : 第56页，共59页，2022年，5月20日，4点23分，星期一由静态工作点Q的状态，可计算最大功率输出下的偏置电阻Rb 。在Q点处有 ：在最大功率输出条件下有 ：而 得 或 第57页，共59页，2022年，5月20日，4点