光电检测技术复习

恒流源型器件光信号输入电路
4－4 伏安特性的分段折线化和微变等效电路 a) 折线化一 b) 折线化二 c) 等效电路
折线化伏安特性可用下列参数确定：
a）转折电压Uo：对应于曲线转折点M处的电压值。 b）初始电导Go：非线性区近似直线的初始斜率。 c）结间漏电导G：线性区内各平行直线的平均斜率。 d）光电灵敏度S：单位输入光功率所引起的光电流值。
便能充分利用器件的线性区间，
交流负载线与光照度 E＝E0对应的伏安特 性相交于Q点，该点 对应交变输入光照度 的直流分量，是输入 直流偏置电路的静态 工作点。通过Q点作 直流负载线可以图解 得到偏置电阻Rb和电源Ub的值。由图可知。 （已知其中一项，求另一项）
下面来计算负载RL上的输出电压和输出功率值。
假定输入光照度为正弦变化，具有e＝E0＋ Emsinωt的形式，光照度的变化范围为E0±Em。若在 信号通频带范围内，耦合电容Cc可认为是短路，则等 效交流则可负建载立电回阻路是方R程b和为R：L的并联。
U
(I )

Ub

I
(
Rb RL Rb RL
)
过特性曲线的转折点M，以（Gb+GL)为斜率，做 交流负载线MN。过特性曲线的转折点M的目的是以
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
由上图b，输出电流幅度为：
可得
ΔI＝Imax-Imin＝ΔUGL
ΔI＝GLΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(1+G/GL) 通常GL>>G，上式可简化为
ΔI＝S(Φmax-Φmin)＝SΔΦ 5 计算输出电功率
由功率关系P=ΔIΔU可得
P＝GL(ΔU)2＝GL[SΔΦ/(G+GL)]2
可变电阻型光电器件输入电路的静态计算
恒流偏置：负载电流与光敏电阻值无关，近似保持常数。 这种电路称作恒流偏置电路。
输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与 偏置电压成正比。
恒压偏置：光敏电阻上的电压保持不变的偏置称作恒压偏置。
恒压偏置的输出信号与光敏电阻值无关，仅取决于 电导的相对变化，
光电检测电路的动态设计
负载电阻上的输出电压峰值Um可利用图b中阴影线三 角形
MHQ的数值关系计算。
若交流负载线的斜率是GL+Gb，设交流负载总电流峰 值为
Im，则有 Um＝Im/(GL+Gb)
另一方面，在图中的线段MN上有电流关系： M点: IM=IQ+Im=IMd+IMP =G(UQ-Um)+SE(E0+Em)
设输入光功率为P，对应的光电流为Ip，则有 S＝Ip/P
式中的光功率P可以是光通量Φ，也可以是光照度E。 光通量和照度之间的关系为
Φ＝AE 式中，A为光敏面受光面积。
在输入光通量变化范围Φmin～Φmax为已知的条件下，用解 析法计算输入电路的工作状态可按下列步骤进行。
1.确定线性工作区域 在线段MN上有关系 G0U0＝GU0+SΦmax 由此可解得
光电检测电路的设计要求
灵敏的光电转换能力 快速的动态响应能力 最佳的信号检测能力 长期工作的稳定性和可靠性
根据这些要求，检测电路的设计通常包括的步骤为：
电路静态计算
对于缓慢变化的光信号通常采用直流电路 进行检测。
直流电路的设计重点在于确定电路的静态 工作状态，即进行静态计算。
在H点： 在M点： 解上二式得
GL(Ub-Umax)=GUmax+SΦmin GL(Ub-U0)=GU0+SΦmax
所以
Umax＝(GLUb-SΦmin)/(G+GL) U0＝(GLUb-SΦmax)/(G+GL)
ΔU＝S·(Φmax-Φmin)/(G+GL)＝S·ΔΦ/(G+GL) 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
光伏型器体光电信号输入电路 根据所选负载电阻的数值，光电池的工作状态可分为 以下几种：
（1）短路或线性电流放大： 要求：负载电阻或后续放大电路的输入阻抗尽可能小。
（2）空载电压输出 要求：此时光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大 电路连接，相当于输出开路。
（3）线性电压输出 这种工作状态在串联的负载电阻上能得到与输入光通量 近似成正比的信号电压，负载电阻增大有助于提高输出 电压。但当增大到一定的临界值时，输出信号开始发生 非线性畸变。
U0＝SΦmax/(G0-G) 或
G0＝G+SΦmax/U0 上式给出了折线化伏安特 性四个基本参数U0、G0、 G和S间的关系。
4－5用解析法计算输入电路 a) 确定线性区 b) 计算输出信号
2.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Φmax对应的曲线 的交点不能低于转折点M。设负载线通过M点，此时由上图a 中的图示关系可得： (Ub-U0)GL＝G0U0 当已知Ub时，
在分析和设计交变光信号检测电路时，需要解决下述几项动 态计算问题. 1）确定检测电路的动态工作状态，使在交变光信号作用下负载上
能获得非线性失真最小的电信号输出。 2）使检测电路具有足够宽的频率响应，以能对复杂的瞬变光信
号或周期性光信号进行无频率失真的变换和传输。
输入电路动态工作状态的计算
1.后续电路的等效输入阻抗将和输入电路的直 流负载电阻并联组成检测器的交流负载。 2.建立直流工作点。利用转折点和偏置电压或 负载电阻建立直流负载线。 3.确定光功率的变化范围。 4.利用解析法计算
注意：交流负载线斜率为等效输入阻抗，直流负载线 斜率为通直流时电路中的负载电导。
光电二极管交流检测电路
4－15 反向偏置光电二极管交流检测电路及计算 a) 检测电路 b) 图解法
最大功率输出条件下：GLO=Gb＋G
图a给出了反向偏置光电二极管交流检测电路的基
本形式。
首先确定在交流光信号作用下电路的最佳工作状态。
GL＝G0·U0/(Ub-U0) ＝SΦmax/[Ub(1-G/G0)-SΦmax/G0)]
当RL＝1/GL已知时，Ub＝SΦmax(GL+G0)/GL(G0-G)
3 计算输出电压幅度
由上图b，当输入光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压 幅度为ΔU＝Umax-U0，其中Umax和U0可由图中M和H点的电 流值计算得到