南理工光电检测技术课程06缓变光信号检测电路的设计.ppt

1、第六章，由光电检测装置、输入电路和前置放大器组成的低速光信号检测电路设计。光电检测装置将被光信号转换为相应的电信号。输入电路在转换电流或电阻到电压等电气参数的同时，提供了与前置放大器的电路相匹配的光电器件的正常工作条件。光电设备输出的微弱电信号由后处理电路与检测设备之间的阻抗匹配的前导放大器放大。敏感光电转换功能：通过使给定输入光信号在允许的非线性失真条件下具有最佳信号传输系数，可以获得最大功率、电压或电流输出。快速动态响应：对满足信号通道要求的频率的可选或瞬态信号的快速响应。最佳信号检测功能：具有可靠检测所需的信噪比或最低可检测信号功率。长期工作的稳定性和可靠性。检测电路必须满足以下技术要求

2、：慢光信号通常使用直流检测电路。直流检测电路的计算重点是确定电路的静态运行状态，由于光电检测装置电压电流特性的非线性，一般使用非线性电路的图形方法和分段线性化的分析方法进行计算。恒流源、光电池和可变电阻类型三种基本类型根据设备的伏安特性进行分类。6.1恒流源光电检测电路的静态计算，恒流源光电检测装置的电压电流特性a)光电倍增b)光电晶体管c)在工作电压小的范围内，曲线呈弯曲的趋势，并且有拐点m。工作电压增加，曲线越来越直。徐璐对于其他输入光通量，每个曲线几乎平行，间距趋向于增加光通量。此输出电流不会随设备结束电压的增加而发生显着变化的特性称为恒流源特性。首先，在图形计算方法，表达式中，U(I)

3、是非线性函数。常识可以用图形方法计算。螺栓安培特性的载荷线Ub-IRL的斜度为-1/RL，是通过uuv点的直线。与纵轴和Ub/RL点相交。如果输入光通量为o，则负荷线和输入光通量为o，则与设备伏安特性曲线相对应的交叉q是输入电路的静态工作点。由o改变(或-)输入光通量时，在光二极管的两端产生-U(或U)的电压信号和I(或-I)的电流信号。光通量对输出信号的影响、负载对输出信号的影响、偏移电压Ub不变的情况下，对相同的输入光通量o、负载电阻RL的负载线减小倾斜增加光电二极管双端电压U(I)输出电压Uo减小。负载电阻RL的增加负载吴宣仪斜率变小，光电二极管双端电压U(I)增加输出电压Uo。但是，如

4、果RL太大，则负荷线将通过特性曲线的转折点m进入非线性区域，因此输出信号的波形可能会扭曲。虽然电源对电路的影响，但电路的功耗增加，过度的偏置电压可能导致光电二极管反向破坏。使用图形方法确定输入电路的负载电阻RL和反向偏移Ub值时，根据输入光通量的变化范围和输出信号的幅度要求，使用略高于变化点m的负载线获得不失真的最大电压输出，并且不要使Ub大于设备的最大工作电压Umax。图形方法特别适用于大信号状态的电路分析。例如，在大信号检测情况下，可以定性地看到输出信号的波形失真。作为光电开关，在不超过最大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率的情况下，以图形方式合理地选择电路参数，产生可靠的动作。应用图形

5、方法：2，分析方法，电压电流属性的分段折线化和微可变等效电路a)折线化1 b)折线化c)等效电路，折线电压电流属性由以下参数确定：转折电压U0:对应于曲线拐点m的电压值。初始电导G0:非线性区域近似吴宣仪初始斜率。连接之间的漏电距离指南g:线性区域中每个平行吴宣仪的平均斜度。光电灵敏度s:单位输入光电产生的光电流值。输入光通量转换范围minmax在已知条件下使用分析方法计算输入电路的运行状态，可以按照以下步骤执行：1，确定由voltammetric curve travel确定的与最大输入光通量max相对应的线性工作区。其转折电压U0或初始电导值G0可以由插图中的图示关系决定。以上提供了折线电

6、压电流属性的四个基本参数U0、G0、g和s之间的关系。与线段MN的关系，G0U0GU0 Smax不能低于U0Smax/(G0-G)或G0G Smax/U0，2，负载阻力和偏移电压确定，以及与负载线和max对应的电压电流曲线的交点，以确保最大线性输出条件。如果将加载线设置为通过m点，则可以使用上图a中的图标关系。负载电导(电阻)GL(RL)，如果RL已知，则计算偏移电源电压Ub，3，输出电压范围，如果输入光通量从min更改为max，则输出电压范围为。其中Umax和U0为图中m点和h点的电流值，4为输出电流范围，输出电流范围为：一般GLG，常识为5，计算输出功率，硅光电二极管2DU2的灵敏度为Si

7、=0.55A/W，接头间泄漏电导G=0.02S，拐点电压U0=13V，入射光功率从min=15W到max=35W寻找：从最大线性输出电压取得最佳负载RL。输出电压u. (3)输出电流I .练习61，6.2，光伏光电检测电路的静态计算，光伏光电器件的电压电流特性和等效电路，光伏器件的电压电流特性是一组曲线，它是分布在安培坐标系第四象限的入射光电力的参数。由于外部回路在设备的结束电压u和电流I的相反方向形成电位，因此具有为负荷供电的能量授予系数的特性。具有这种伏安特性的光电设备包括在光电池和光电池状态下工作的光电二极管等。光电池的输出电流为：1，光电器件输入电路的形式，未偏置电路及其等效电路，2，

8、未偏置输入电路的静态计算，负载对输出信号的影响，由于光电池特性的非线性，负载电阻的选择影响光电池的输出信号。例如，在图中，光通量的增量为1-2，短路状态(RL0)，输出电流的增量为IIsc2-Isc1，输出电压为0。RL增加时，电流越来越小，输出电压增加，直到临界电阻RM后加上负载的电压。根据上述公式，图中显示了在相同入射光通量下负载电阻对光电池输出电压、电流和功率的影响曲线。如图所示，光电池的工作状态取决于四个区域：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(图中标记为、)。以下说明前三种工作状态。可以定量说明负载电阻对电路运行状态(I，u，p)的影响。短路或线性电流放大。这是

9、一种电流转换状态，后续放大器从光电池作为负载获得最大输出电流。为此，负载电阻或后续放大器输入阻抗必须尽可能小。RL较小，输出电流接近短路电流，表明入射通量与线性关系良好。也就是说，在短路状态下，器件的噪声电流低，信噪比提高，最适合低照度信号检测。短路电流取决于接收区域的大小，在同一光电池的短路电流或低电阻负载下的负载电流和接收区域的变化曲线在下图中，a是接收区域。这是非线性电压转换状态。此时，光电池必须通过高功率阻抗转换器连接到前放大器电路，相当于输出开放。断路电压是可写的，无负载电压输出，因此断路电压(RL=时)可以记录与接收光速的对数成正比的断路电压。而且Ip与光电池面积成正比，因此同一光电池的开路电压与光电池面积的对数成正比，如图所示。例如，在给定入射光功率(强度e或光通量)下已知的开路电压Uoc在其他入射光功率(强度e或光通量)下寻找开路电压Uoc。解决方案，优点：一般来说，光电池的开路电压为0.450.6V，其优点是，在入射亮度从0到一定值进行跳跃变化的光电开关等应用中，可以简单地利用Uoc的电压变化来配置控制电路，而无需任何偏置电源。另外，电压电流特性表明，在小入射通量的情况下，开路电压输出发生了很大变化，对低照度信号检测尤其有利。缺点：光电池开路电压和入射光功率呈非线性关