光电信号检测电路设计ppt课件

1、.第1、7章光电信号检测电路，7.1光电检测电路的设计要求，7.2光电信号输入电路的静态计算，7.3光电信号检测电路的动态计算，7.4光电信号检测电路的噪声，7.5前置放大器，7.6光电检测电路的示例，2，概要， 光电检测电路结构检测电路要求敏感的光电转换能力最适合高速动态响应能力的信号检测能力的长期工作的稳定性和可靠性，检测电路设计步骤电路静态计算电路动态计算噪声估计放大电路设计，光信号，3，1 .敏感的光电转换能力，表示光电转换能力强弱的参数，通常为光电灵敏度(或传输系数，转换系数2 .快速动态响应能力是指检测系统各环节的动态响应要求。 特别是在光通信等领域中，对动态响应速度的要求甚至处于

2、第一位。 光电检测电路应该满足对信号信道要求的频率选择性或瞬变信号的高速响应。 3 .最佳信号检测能力、信号检测能力主要是光检测电路的输出信号中有用的信号分量的数量、经常使用的信噪比、信号功率等参数的特征。 4 .长期工作的稳定性和可靠性，例如各种光电转换元件要求温度稳定性。 4，7.1缓变光信号检测电路设计，类型恒流源型光检测电路的静态计算光电型光检测电路的静态计算可变电阻型光检测电路的静态计算，缓变光信号直流电路检测设计要点：静态计算(确定电路的静态工作状态)计算方法：图解法，阶段线性化分析法，5，恒流源型元件光信号输入电路，恒流源特性： 光电管、光电倍增管、在反向偏置电压状态下工作的光电

3、二极管、光电晶体管。恒流源型光检测元件的伏安特性、6、1、图形计算方法、包括非线性元件的串联电路的图形计算方法计算恒流源元件的输入电路：q点是输入电路的静态工作点输入光束变化时，产生向负载电阻变化的电压信号输出。7、图解法适用于特别大的信号状态下的电路分析。 例如，在最大信号检测的情况下，输出信号的波形失真看起来是定性的。 当用作光电开关时，可以图解法地选择电路参数并可靠地操作，同时保证装置不超过最大工作电流、最大工作电压、最大功耗。8、(a )减小负载(增大斜率)，增大输出信号电流，减小电压。 负载的减少受最大工作电流和功耗限制的过大负载，负载线超过转折点m进入非线性区域，信号失真。 (b

4、)若增大偏置电压，则输出信号的电压振幅变大，改善线性性，但功耗变大，有可能光电二极管被逆破坏。9、2、解析算法、分段折线化伏安特性、弯曲电压U0-曲线拐点m处的电压值、初始电导G0-非线性区域近似直线的初始斜率、结间漏电导向G-线性区域的各平行直线的平均斜率、光灵敏度S-单位输入光功率的光电流值、10、输入光功率在P262(7-4)、11、输入光束的变化范围有限的已知条件下，解析法的计算顺序如下：(1)可决定线性工作区域，根据对应于最大输入光束max的伏安图，决定拐点m。 确定对应的上升电压U0和初始电导值G0。 为了计算负载电阻和偏置电压、(2)并确保最大线性输出条件，对应于负载线与max的

5、伏安图的交点不能低于转折点m。若负载线通过m点，则Ub已知GL :GL(RL )，在偏置电源电压Ub :14、h点：m点：15、计算过程：光束从min变化为max时，输出电压宽度为U=Umax-U0，(3)输出电压宽度、h点、m 输出电压幅度减少)、16 (4)计算输出电流振幅，通常计算GLG (负载减少，输出电流振幅值增大)、17、(5)输出功率，功率关系p=ui、增益、18、光伏型设备光信号输入电路、伏安特性：以入射光功率为参数的曲线簇群装置的端子电压和电流的方向相反，外部电路形成电位，可以向负载供给电力。 包括光电池和在光电池状态下工作的光电二极管。19、20、1、光电器件的输入电路形式

6、主要有以下三种形式。21、2、无偏置输入电路的静态计算、基于等效电路的电路方程式的建立、22、基于解法的静态工作点q、23、3、基于负载电阻的光电元件的工作状态的分析：在负载小的情况下，光束与负载上的电流、电压几乎是线性的。24、(1)以短路或线性电流放大、区域I、后续电流放大级为负载，要求从光电池吸收最大的输出电流，负载电阻或后续放大电路的输入阻抗尽可能小(输出电流近似短路电流，大，线性好，噪声电流低，s/s (2)无负载电压输出，区域iv为非线性电压转换状态。 此时，光电池经由高输入阻抗转换器与后续的放大电路连接，相当于输出开路。 开路电压的最大值受势垒的高度限制，通常为0.450.6V。

7、 小光束的电压输出大，有利于弱光的检测，尽管线性差，但仍可作为开关元件使用。 通过27、(3)线性电压输出、区域、串联的负载电阻，可得到与输入光束大致成比例的信号电压。 负载电阻变大时，有助于提高输出电压，但达到一定阈值时，输出信号会发生非线性失真。 如何确定负载电阻的阈值呢？ 当时，28，I0，因此负载电流与光电电阻的电阻值无关，几乎保持一定。 该状态也被称为恒流偏置状态。 (3)恒压偏置、负载电阻比光电电阻小很多的情况下，即，与r无关地，被认为施加到光电电阻的电压接近电源电压Ub。 该状态也被称为恒定电压偏置状态。32、2、桥输入电路、33、选择相同性能的热敏电阻RT作为桥测量臂电阻，选择

8、普通电阻作为补偿臂电阻。 另外，在没有外来照射的情况下，调整桥的平衡，桥输出信号为0。 34、有外来照射的情况下，会引起电阻的温度上升，有热敏电阻、暗电阻、桥接平衡破坏，输出电压，该式能够进一步简化。35、7.2、光信号检测电路动态计算，在很多情况下，光信号随时间变化，例如瞬变信号或各种形式的调制光信号交变光信号的特征是信号中含有丰富的频率分量，在信号微弱的情况下，需要与逐渐变化的光信号检测电路的静态计算不同的多级放大， 在分析和设计交变光信号检测电路时，需要解决下述两个动态计算问题1 )这不确保非线性失真：的动态工作状态，并允许交变光信号获得没有失真的线性电信号输出。 2 )线性失真(无包含

9、振幅频率和相位频率的频率失真) :使检测电路具有足够宽的频率响应，以无频率失真地转换和传输复杂的瞬变光信号或周期光信号。、36、一、在输入电路的动态工作状态的计算、交变光信号输入电路中，为了提供检测元件的正常工作条件，首先直流工作点输入电路和后续电路，通常通过切断连接等多种方式耦合的后续电路的等效输入阻抗与输入电路的直流负载电阻并联地构成检测器，7.2 交变光信号检测电路设计、37光电二极管交流检测电路，首先，在将直流工作点q设为输入照度e=E0 Emsint、等效交流负载为Rb和RL的并联交流负载线的斜率的倒数交流负载线MN为拐点mnn与E=E0时的电压-电流特性曲线的交点为静态工作点q过q

10、点的直流负载线中， 偏置电阻Rb和电源Ub的值计算负载RL上的输出电压、输出电流和输出功率值计算最大功率输出条件、输入电路的动态工作状态的计算、最大功率输出下的负载电阻阻抗匹配下(最大功率输出)的峰值电压、功率、电流、 38、静态工作点q的电流值在直流负载线上，阻抗匹配时， q点电压与阻抗匹配即最大输出功率下的直流偏置电导对应，、39、光电二极管交流检测电路、光电池交流检测电路、40、光电池交流检测电路，图a是光电池交流检测电路。 图b是处于线性区域的动作特性图。 图中的直流负载通过原点，斜率为Gb的直线在输入照度为e=E0 Emsint时，光电池特性曲线中与E=E0对应的曲线在q点与直流负载

11、线相交，q是静态工作点，另一方面，输入电路的动态工作状态的计算在GL=Gb=GL0的最大功率输出条件下输出电压、功率， 与电流类似形式的偏置电阻Rb0=RL0=2UM/SE(2E0 Em )，m是交流负载线与与最大输入照度e=E0 Em对应的光电池曲线的交点，41、2，光检测电路的频率特性反映了检测系统的动态响应能力分析法：时域法、频域法和光电元件自身的特性， 基于与检测电路形式、截止参数相关的频谱分析傅立叶变换记述频率特性的参数：通带f、f越大，信号通过能力越强，42、1 .光电检测电路的高频特性以反偏置光电二极管交流检测电路为例，是微小等效电路图2、光检测电路的频率特性、 与二极管参数Cj

12、和g有关，以不同动作状态下的简化形式给予输入照度，在负载下取最大功率输出时： RL=Rb，g2 )，2 )中频(12 )，3 )低频(1 )，考虑到隔离电容和分布电容的影响，45， 3 .光检测电路的频率特性的设计电路设计的基本要求非线性非失真频率不失真电路通带复盖光信号的频谱分布设计内容并对输入光信号进行傅立叶分析，确定频谱分布并基于级联多级光检测电路的允许通带和上限截止频率的系统的带宽计算方法， 确定了单级光检测电路的截止参数，二、确定了光检测电路的频率特性，四十六、频率特性设计例：由两极与二du1型光电二极管相同的放大器构成光检测电路。如图a所示，被测光信号波形设为脉冲重复频率f=200

13、kHz、脉冲宽度t0=0.5s、脉冲宽度1V、光电二极管的结电容Cj=3pF、输入电路的分布电容C0=5pF，设计该电路的电阻参数的求解步骤1 .分析信号频谱信号：f=1/T=200kHz信号频带：F=1/T0=2MHz高频截止频率： fHC=1.5F=3MHz低频截止频率： fLC=200Hz 2.各级连接电路的频带电路结构：输入电路的两级放大电路的各级输入电路参数计算负载电阻： rl=1/2fhc(cjcc0)3.3k，选择2k偏置电阻： Rb=(1020)RL，即Rb=10RL=20k耦合电容C:C=1/2(RL Rb)fLC=0.07F 4 .选择放大电路，选择2级共用的宽带运算放大器

14、，放大器输入阻抗为2k以下，放大器通带要求为6MHz、10MHz电路图(c )、48、49，例题： 2DU1型光电二极管和2级共用的放大器构成光检测电路。 被测光信号的波形如图所示。 设脉冲重复频率f=200kHz、脉冲宽度t0=0.5us、脉冲宽度1V、光电二极管的结电容Cj=3pF、输入电路的分布电容C0=5pF，设计该电路的电阻参数。 (1)分析输入光信号的光谱，确定检测电路的总带宽。 周期T=1/f的方波脉冲信号的频谱离散，频谱的频率间隔、频谱包络线的零点分布间隔、50，选择频谱包络线的第二峰值作为信号的高频截止频率fHC。 在这种情况下，可以认为传输没有失真。 频谱的零频率分量确定信

15、号的直流分量，并且不影响变化的波形。 但是，为了采用交流放大，可以利用截止耦合电容。 当可选择的低频截止频率是200Hz时，检测放大器的总带宽由fHC=3MHz，fLC=200Hz决定。 带宽接近F3MHz。 (51 )确定级联各个电平的电路的带宽，根据设计要求，检测电路中输入电路和两级相同的放大器串联连接。 如果3级带宽相同，则相同n级级联放大器的高频截止频率为fnHC，fH为单级高频截止频率。52、同样地，单级低频截止频率、53、噪声特征：随机性(振幅和相位)处理方法：统计地分析噪声源的外部噪声：通过外部条件的变化，可以用噪声对策改善或去除内部噪声：光检测元件和检测电路元件本身带来， 无法

16、进行噪声噪声分析和微弱信号提取的：核问题的噪声估计决定了提高信噪比和最小输入光功率，7.3光电信号检测电路的噪声估计，54，一，检测电路的噪声等效处理，热噪声电子的不规则热运动引起的瞬时不规则电流电子运动平均速度与绝对温度成正比， 6.3光电信号检测电路的噪声估计、纯电阻的情况下，温度一定时，热噪声仅与电阻和通带相关(与频率无关)。 带宽越大，噪声功率越大。 同时，通带的白噪声具有抑制作用。散射噪声(检测元件及晶体管)光照射中的光子到达率和由此激发的光电流的随机起伏引起的散射噪声的大小取决于温度，由流过元件的平均电流决定，噪声电流及负载电阻上的电压的有效值(取决于频率)、55、一、检测电路的噪

17、声6.3光信号检测电路的噪声估计并联电阻电路(电阻r和电容器c并联)的合成电阻： R(f)=R/1 (2fRC)2噪声电压有效值、变换积分变量的tg=2fRC、噪声等效带宽fe:fe=1/4RC、并联RC电路为噪声相当于将电阻热噪声频谱分布从白噪声缩小到等效噪声带宽fe，56一，检测电路的噪声等效处理，噪声结构：光电元件噪声，电路元件噪声等效噪声电路：为了便于计算，将各种元件噪声以相同形式的平均值(或有效值)电流源的形式6.3光电信号检测电路的噪声估计电阻等效电路简单电阻：热噪声电流源I=sqrt (4ktf/r )和电阻并联合成电阻：综合噪声电流是从合成电阻提供的噪声电流i=sqrt(4ktf/r)、R=R1 R2 (串联)或R=R1R2/(R1 R2 )