4-2光电探测器偏置电路
4G光电探测器带宽测试
4G光电探测器带宽测试报告
编制人：王楠
带宽实验
如图2.3是通过给探测器加反向偏置改变接收部分的测量装置。
用偏置电压V＝5.0v加偏置电阻（即1M的负载做为示波器的输入阻抗）。
确信你使用的是商用光电二极管。
如果不慎给二极管加正向偏压而非反向偏压，将会烧坏。
调整激光器的偏置让其工作在线性区域的中心重复上述测量：最小可探测的调制电压、不导致削波的最大调制电压和小信号的频率响应。
反向偏压明显改变探测器特性吗？探测器限制信道的小频率响应吗？
分别用10k和200欧的偏置电阻重复上述测量，存在最佳偏置电阻吗？或着最佳选择依赖于实际应用？
实际使用：51欧的偏置电阻
图2.3.光导型光电二极管偏置电路
实验设备
1 、4G-PIN探测器
2 、精密电压源
3、光发射机
4 、网络分析仪
5、带宽测试板
6、光功率计
7、法兰盘
测试结果：
实际模拟测试-3dB带宽为3.2G。
衰减20dB，可达到4G带宽。
满足**用户的使用频率范围。
实验图片如下：。
4-2光电探测器偏置电路
光电二极管交流探测电路 光电池交流检测电路
4.2.2 PV探测器的偏置
PV器件的回顾 1）零偏置或正向偏置：工作在伏安特性的第四象 限，多用于输出功率。也可以用于探测。 2）反向偏置：工作在第三象限，多用于探测。
PV器件零偏置时1/f噪声最小，可以获得较高的 S/N。
一.PV器件静态工作点的确定
VQ V2
光电池伏安曲线
•由伏安曲线，对于给定的Φ0，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ΔΦ=Φ1―Φ2， 当RL< RLS（临界电阻）时，IQ、VQ与ΔΦ呈线性； 当RL> RLS时，呈非线性，在检测电路中往往希望线 性。
V0
smax G0 G
2）计算偏置电阻Rb、偏 I
压Vb。
I max
M
max
为 保 证 最 大 线 性 输 出 条 I 件，负载线和由Φmax对 Imin 应的伏安曲线的交点不
H
tg 1G
min 0
V
能低于M点。
tg 1G0V0 V Vmaxtg 1Gb Vb
G0V0=Gb(Vb-V0)
设负载线拐点M点，由图可得
(RlVBRs )2Rs
VB2 4Rs
•与上两种偏置比较，当Rs变化时探测器上的偏置 功率的变化最小。
•实际上, 往往选Rs的平均值，而该偏置功率变化不 大，故命名为恒功率偏置。
2.三种偏置情况的比较
从可以获得的响应度来考虑，则恒流偏置优于匹配偏 置，匹配偏置又优于恒压偏置。 由于恒流偏置通常需要较高的偏置电压源，在实用中 可以采取匹配偏置而获得与恒流偏置相当的响应度。
光电二极管偏置电路设计
光电二极管偏置电路设计英文回答：Photodiode Bias Circuit Design.Introduction.A photodiode is a semiconductor device that converts light into electrical current. It is a type of photodetector that is used in various applications, such as optical communication, position sensing, and light measurement. The performance of a photodiode is greatly influenced by its bias circuit.Bias Circuit.The bias circuit of a photodiode is a circuit that provides the necessary voltage and current conditions for the operation of the photodiode. The main purpose of the bias circuit is to establish a reverse bias across thephotodiode, which allows the photodiode to generate a photocurrent when illuminated.There are two main types of bias circuits:Constant Voltage Bias Circuit: This circuit maintains a constant voltage across the photodiode, regardless of the light intensity. It is typically used in applications where a stable photocurrent is required.Constant Current Bias Circuit: This circuit maintains a constant current through the photodiode, regardless of the light intensity. It is typically used in applications where a wide dynamic range is required.Design Considerations.The design of a bias circuit for a photodiode involves several important considerations:Reverse Bias Voltage: The reverse bias voltage applied to the photodiode should be large enough to ensure that thephotodiode is fully depleted and operates in the reverse-biased region.Load Resistance: The load resistance connected to the photodiode determines the output current and voltage of the photodiode. A higher load resistance will result in ahigher output voltage and a lower output current.Dark Current: The dark current is a small current that flows through the photodiode even when it is not illuminated. The bias circuit should be designed tominimize the dark current.Responsivity: The responsivity of a photodiode is the ratio of the output current to the incident light intensity. The bias circuit should be designed to maximize the responsivity of the photodiode.Design Procedure.The design procedure for a bias circuit for aphotodiode typically involves the following steps:1. Determine the desired operating voltage and current for the photodiode.2. Select the type of bias circuit (constant voltage or constant current).3. Calculate the required reverse bias voltage and load resistance.4. Choose appropriate components for the bias circuit.5. Test and verify the performance of the bias circuit.Conclusion.The bias circuit is an essential part of a photodiode system. By carefully designing the bias circuit, it is possible to optimize the performance of the photodiode and meet the specific requirements of the application.中文回答：光电二极管偏置电路设计。
351偏置电路类型光电导探测器的偏置电路光伏探测器输出电路
2012-03-20
3.5 偏置电路和信号处理电路
PN结型光伏探测器器件和光电导探测器是在 一定偏置电路状态下工作，按照使用在不同场合下， 光伏探测器的偏置电路一般有自偏置电路、零偏置 电路和反向偏置电路。
(3.72)
由于RL很大，使光敏电阻正常工作的偏置电压需 要很高为了降低电源电压，通常采用晶体管作为恒 流元件。
右图为实用中常采用的 晶体管恒流偏置电路。由于 滤波电容C和稳压管Dw的作 用，晶体管基极被稳压，基 极电流Ib和集电极电流Ic被 恒定，光敏电阻实现了恒流 偏置。
2012-03-20
3.5.2 光电导探测器的偏置电路
3.5.1 偏置电路类型
C 雪崩二极管的反偏置电路 APD的偏置电路
(a) 偏压可调电路
2012-03-20
(b) 温度稳定偏压电路
光电导探测器的偏置电路
基本偏置电路
设在某照度Ev下，光敏电阻的阻值为R，电导为g， 流过偏置电阻RL的电流为IL
IL
U bb R RL
用微变量表示
dI L
U bb (R RL )2
在基本偏置电路中，若负载电阻RL与光敏电阻值 RP相等，则光敏电阻消耗的功率为：
P
I 2 RP
Ub RL
RP
2
RP
U
2 b
4RL
P为恒定值，故称为恒功率偏置电路。这种电路 的特点是负载可获得最大的功率输出。
2012-03-20
3.5.3 光伏探测器输出电路
(3.72)
由于大多数光伏探测器输出信号都较弱，对于它 的探测一般都需要进行放大，下面介绍三种进行信 号处理电路。
MAX1771 输出可调的雪崩光电二极管检测器偏置电路
输出可调的APD 偏置电路
1输出可调的APD 偏置电路
Maxim 北京办事处李勇军 译
与PIN 二极管相同，雪崩光电二极管探测器（APD ）也可用于光通讯接收器，而且具有更高的灵敏度，但它必须配以适当的偏置电压以便在一定的光通量下给出所需的信号电流。
图一所示的偏压产生电路配合一个模数变换器还可以实现软件动态调节。
一个升压转换器（IC1、L1、Q1）驱动一个二极管-电容充电泵（D3/C4，D2/C3和D1/C5）产生输出偏压Vout 。
IC1根据外部控制电压V DAC 所建立的控制点电位对Vout 进行调整：当由2V 变至0V 时，V out 由28V 升至71V （见图二）。
当输出70V ，0.5mA 时，纹波电压的极限值一般为0.5V(最大)（0.7%）。
图示电路所产生的纹波在1mA 输出时小于0.3%，其最大输出电流约为3mA 。
其中的输出端电容（C5）应采用低ESR
型。
光电技术复习资料
1.半导体对光的吸收可分为本征吸收，杂质吸收，激子吸收，自由载流子吸收和晶格吸收。
2.光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。
3. 发光二极管(LED)是一种注入电致发光器件，他由P型和N型半导体组合而成。
其发光机理可以分为PN结注入发光与异质结注入发光两种类型。
4. 光电信息变换的基本形式信息载荷于光源的方式，信息载荷于透明体的方式，信息载荷于反射光的方式，信息载荷于遮挡光的方式，信息载荷于光学量化器的方式，光通信方式的信息变换。
D电极的基本结构应包括转移电极结构，转移沟道结构，信号输入单元结构和信号检测单元结构。
1. 对于P型半导体来说，以下说法正确的是 （D）A 电子为多子B 空穴为少子C 能带图中施主能级靠近于导带底D 能带图中受主能级靠近于价带顶2. 下列光电器件, 哪种器件正常工作时需加100-200V的高反压 （C）A Si光电二极管B PIN光电二极管C 雪崩光电二极管D 光电三极管3. 对于光敏电阻，下列说法不正确的是： （D）A 弱光照下，光电流与照度之间具有良好的线性关系B 光敏面作成蛇形，有利于提高灵敏度C 光敏电阻具有前历效应D 光敏电阻光谱特性的峰值波长，低温时向短波方向移动4. 在直接探测系统中, (B)A 探测器能响应光波的波动性质, 输出的电信号间接表征光波的振幅、频率和相位B 探测器只响应入射其上的平均光功率C 具有空间滤波能力D 具有光谱滤波能力5. 对于激光二极管（LD）和发光二极管（LED）来说，下列说法正确的是（D）A LD只能连续发光B LED的单色性比LD要好C LD内部可没有谐振腔D LED辐射光的波长决定于材料的禁带宽6. 对于N型半导体来说，以下说法正确的是 （A）A 费米能级靠近导带底B 空穴为多子C 电子为少子D 费米能级靠近靠近于价带顶7. 依据光电器件伏安特性, 下列哪些器件不能视为恒流源: （D）A 光电二极管B 光电三极管C 光电倍增管D 光电池8. 硅光二极管在适当偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。
光电系统光束调制原理总结
1. 光束调制原理：解决将信息加载到激光上的问题，完成这一过程的装置称为调制器激光称为载波，起控制作用的低频信号称为调制信号2. 内调制：加载信号在激光振荡过程中进行，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。
外调制：激光形成之后，在激光器的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制3. 若调制信号的时间余弦函数为光波成为调幅波 4. 光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡，因为都表现为总相角的变化，因此统称为角度调制。
频率调制：角频率ω c 不再是常数，而是随调制信号变化5. 强度调制：使光载波的强度（光强）随调制信号规律变化，光束调制多采用强度调制形式，因为接收器一般都是直接响应光强变化。
光强表达式： 6. 前三种调制属于模拟调制，得到的调制波都是连续振荡波。
脉冲调制﹑脉冲编码调制采用不连续状态进行调制。
脉冲调制：先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量（幅度﹑宽度﹑频率﹑位置等）进行电调制，使之成为已调制脉冲序列。
然后用这电脉冲序列对光载波进行强度调制，得到相应变化的光脉冲序列7. 脉冲编码调制：把模拟信号先变成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的二进制编码，再对光波进行强度调制。
实现调制的三个过程： 1.抽样2.量化3.编码：8. 强度调制的特点：能够实现线性解调；使用中极易实现（如对光源进行调制）。
9. 振幅(强度)调制的干扰问题：振幅调制和强度调制有一个共同点——易受干扰，如光源的波动，光信道的漂移等因素均可带来光强的变化，使信号受到干扰。
故强度调制一般用在精度要求不高的场合。
10. 电光调制：电光效应——某些介质的折射率在外加电场的作用下，由于极化现象而出现光学性能的改变，影响到光波在晶体中传播特性的一种现象。
电光效应的实质——在光11. 12. 纵向电光调制： a 、装置的结构简单，工作稳定，不会受到自然双折射的影响，b 、缺点是半波电压太高，高压电源的制作困难。
4-3光敏电阻偏置4-4;4-5
紫外 硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)
光
敏 电
可见
硫化铊(TiS)、硫化镉(CdS)和 硒化镉(CdSe)
阻
红外 硫化铅(PbS)、碲化铅(PbTe)
13
光敏电阻常用光电导材料
14
1、几种典型的光敏电阻
光电导探测器按晶体结构可分为多晶和单晶两类。 多晶类多是薄膜型器件，如PbS、PbSe、PbTe等。 单晶类中常见的有锑化铟（InSb）、碲镉汞
16
• PbS。这是一种性能优良的近红外辐射探测器， 是在室温条件下探测灵敏度最高的一种红外探 测器，室温下的禁带宽度为0.37eV，相应的长 波限为3μm。
17
InSb。这也是一种良好的近红外（峰值波长约 为6μm）辐射探测器。
InSb差分式磁阻传感器
液氮制冷InSb探测器 锑化铟InSb高灵敏度型 霍尔传感器
11
光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品
种能超过1000Hz，而且光电增益与带宽之积为一常。 如要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。 设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定功耗， 负载电阻值不能很小。 进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。
12
4.4.3 几种常用的光敏电阻
4.3 光敏电阻的基本偏置电路和噪声 4.3.1 基本偏置电路
Rp RL
Vb
1
因为
即 对上式求导，得
所以
g gp SgE
R 1 1 g SgE
1 R
SgE
dR R2
S g dE
R R2Sg E
负号表示电阻值随光照度的增加而减小
2
伏安特性
在一定照度下，光敏电阻输出光电流与两端所加的电压 之间的关系。
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I max
I
算输入电路的工作状态 Imin
M
H
min
可按下列步骤进行。
tg 1G
0
1）确定线性工作区域
V tg 1G0V0 V Vmaxtg 1Gb Vb
由转折点M确定线性工作区域，相应的转折电压或初始
电导值G0中的几何关系决定。
在MV0上有 G0V0 GV0 smax
G0
G
smax V0
即
V0
smax G0 G
2）计算偏置电阻Rb、偏 I
压Vb。
I max
M
max
为 保 证 最 大 线 性 输 出 条 I 件，负载线和由Φmax对 Imin 应的伏安曲线的交点不
H
tg 1G
min 0
V
能低于M点。
tg 1G0V0 V Vmaxtg 1Gb Vb
G0V0=Gb(Vb-V0)
设负载线拐点M点，由图可得
直流负载线方程：
V D V B ID R L
交流 负载线方程：
ID 1 VD RL
RL R//ri
二、光伏探测器的等效电路
1.直流等效电路 工作在直流状态时流过探测器的电流ID： 光生电流Iph；暗电流Id（包括结电流Id1和结表面漏电 流Id2）
光电流
IpheAdN
结电流 漏电流
I d 1 I 0 [ e x p ( e V D /k T ) 1 ] Id2GshVD
二、PV器件动态工作状态设计
光电二极管交流探测电路 光电池交流检测电路
4.2.2 PV探测器的偏置
PV器件的回顾 1）零偏置或正向偏置：工作在伏安特性的第四象 限，多用于输出功率。也可以用于探测。 2）反向偏置：工作在第三象限，多用于探测。
PV器件零偏置时1/f噪声最小，可以获得较高的 S/N。
一.PV器件静态工作点的确定
2.解析法
折线化伏安特性可用下列参数确定： A.转折电压V0：对应曲线转折点处的电压值。 B.始初斜始率电。导G0：相当于非线性部分直线的初 C.结间漏电导G：是线性工作区间内个平行
直线的平均斜率。 D.光电灵敏度 S
I
在输入光通量的变化范
max
围 Φmin—Φmax 为 已 知条件下，用解析法计
偏置电流：
Il
VB Rs Rl
设光照射在探测器上，其电阻值
变化为ΔRS，则电流变化即信号 电流iS为：
is dIl (RVlBdRRss)2
Ubb
Rb
Uw C
VDw
Rs Vo
Re
2）恒压偏置 当选RL<< Rs，探测器上的偏置电压与Rs无 关，基本恒定。
VA
VBRs Rl Rs
VB
4-2光电探测器偏置电路
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。
主要内容
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 4.2.3热释电器件的偏置电路 4.2.4光电倍增管的偏置电路
2.三种偏置情况的比较
由于探测器都应尽可能工作于最佳偏置范围以内，而 对于高暗阻值的光电导探测器，在最佳偏置范围内采取 恒流偏置一般需要较高的偏置电压，如果在高偏置电压 源不易获得的情况下追求“恒流”偏置而采取较小的偏 置电流，则会脱离最佳偏置区域而使S/N下降。在这种 情况下，采用具有较高偏流(使之处于最佳偏置范围)的 非恒流偏置可能会更好。
三、偏置电路的实现
1.恒压偏置的实现 分压电路的恒压偏置，如p276，图4.13 利用晶体管的恒压偏置，如p276，图4.14 利用固定晶体管基极电位，从而使发射极电位 也固定的特性，将探测器接入晶体管的发射极 电路中达到恒压偏置的目的。
三、偏置电路的实现
2.恒流偏置的实现 分压电路的恒流偏置，如p276，图4.11 利用晶体管的恒流偏置，如p276，图4.12 若光电导探测器的暗阻Rd较大，而最佳偏置电流亦 较大，则恒流偏置需要的侗置电压较高。当提供高压 偏置电压源不方便时，可采取利用品体管的有源恒流 偏置电路。通过利用晶体管在线性工作区时集-射极 等效交流电阻很大(可将其视为RL)，近似恒流源的特 性来实现恒流偏置的。它适用于晶体管集－射极等效 交流电阻远大于Rd的情况。
M
• 由图可知:随Rb增大，信号电压变大，超 过M点产生畸变 。
I
功耗限制
0 0
0
V
Vb3 Vb2 Vb1
同时，随Vb↑线性改善。但功耗加大，过大 的Vb会引起PD反向击穿。在利用图解法确定 输入电路的RL和Vb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M，并保证Vb不大于最高工作电 压Vmax。
2DU
(1)为保证2DU工作于线性区且Rb
Vb
Rb
最大，过拐点作负载线，则:
Rb max
Vb VM Ip
Vb VM 2
0.4
15 10 100 106
125K
(2)输出电压 :
I
M
2 1 2 10
V0 VM
V Vb
Vo I pRbmax Rbmax 0.4 10 106 125 103 0.5V
ln
I
' p
KT q
ln Id
得：
Vo'c
KT q
ln '
Voc
室温时 T=300K ，则 ：
Vo'c
Voc
26mV
ln '
KT 25.8 26mV q
利用上式，可在已知Φ、Voc时，计算另一 Φˊ下的 Vocˊ
1.无偏置的光电池电路：
Ip
I Id
RL
光电池等效电路
I1
RL RLs
GbG0VbV 0V0Vb(1G S G 0)m axS G0 m ax
当Vb已知时，则 ：
Rb
1 Gb
Vb (1 G / G0 ) smax
1 G0
或：
Vb
smax (Gb G0 ) Gb (G0 G)
当Rb已知时，有
Vb
smax (Gb G0 ) Gb (G0 G)
3）计算输出电压幅度
• 流过探测器上的偏流不恒定,随Rs变化。
Ubb
Rb
Uw C
VDw
Rc Vo
Rs
3）恒功率偏置（匹配偏置）
此时，RL=Rs，探测器上的偏置功率：
PRs
(RlVBRs)2Rs
VB2 4Rs
•与上两种偏置比较，当Rs变化时探测器上的偏置 功率的变化最小。
•实际上, 往往选Rs的平均值，而该偏置功率变化不 大，故命名为恒功率偏置。
例：用2DU测缓变辐射通量。已知2DU的 电流灵敏度 0.4A/W ，在测光范围中最大 辐射通量100μW,伏安特性曲线的拐点电 压VM=10V，若电源电压Vb=15V。
要求负载线建立在线性区内。求：
（1）保证输出电压最大时的Rbmax=? （2）辐射通量变化10μW时，输出电压的
变化量。
解：依题画出如下简图
I
max
由图可知：在ΔΦ时，
I max
M
I
V Vmax Vo
I min
H
tg 1G
min 0
其中Vmax和V0可由图中 M和H点的电流值计算得
V tg 1G0V0 V Vmaxtg 1Gb Vb
到。
由H点：G b (V b V m a x ) G V m a x S m in Vmax
GbVb Smin GG0
iD ip h (g d G s h )v D
其中：交变光电流 ipheAdN
动态电导
e gdkTI0exp(eVD/kT)
连接前放的交流等效电路
v p h ip h / ( g d G s h G L g i)
•若前放采用电压放大器，要尽量提高前放输入的光生电压，则要 求光伏探测器的光生电流大(即探测器的电流响应度高)，动态电 阻，表面漏电阻，负载电阻，放大器的输入电阻要大。 •若前放采用电流放大器，要得到大的输入信号电流，则除了要求 探测器电流响应度高以外，还必须要求前放的输入阻抗小，探测 器的动态电阻，及表面漏电阻和负载电阻均很大。这时，可将负 载开路。 •如果要求得到高的S/N，则要求动态电阻，及表面漏电阻和负载 电阻均很大。应远大于放大器最佳源电阻。
m a x m in V G b
VGb1SG /Gb
I
I max
M
I
I min
H
tg 1G
tg 1G0V0 V Vmaxtg 1Gb Vb
max
min
0 V
通常Gb >>G，上式简化为ΔI=SΔΦ
5）计算输出功率
P I VG b V 2G b(G S G b)2
（二）光生电势型探测电路的静态计算
三、偏置电路的实现
3.匹配偏置的实现 分压电路的恒流偏置，如p275，图4.10
三、偏置电路的实现
4.交流偏置 当利用微弱信号检测技术(例如用钡定放大器)来测量 恒定的或缓变的光辐射信号时，为了取得同步的参考 信号，可以对光电与探测器加交流偏置。
4.2.2 光伏探测器（PV）的偏置
一. PV器件静态工作状态的设计 反偏下光电二极管的偏置电路分析与计算 光生电势型探测电路的静态计算
由M点：G b (V b V 0 ) G V 0 S m a x V0
V V m a x V 0 S ( G m a x G 0m in) G S G 0