光电信号检测电路设计

1第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光电检测电路举例2概述光电检测电路组成对检测电路的要求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输入电路前置放大器光电器件光源(成像系统)检测对象检测电路设计步骤电路静态计算电路动态计算噪声估算放大电路设计光信号47.1缓变光信号检测电路设计类型恒流源型光电检测电路的静态计算光伏型光电检测电路的静态计算可变电阻型光电检测电路的静态计算缓变信号直流电路检测设计重点：静态计算（确定电路的静态工作状态）计算方法：图解法、分段线性化解析法5恒流源型器件光电信号输入电路恒流源特性：输出电流随器件端电压增大而变化不大。相应器件：光电管、光电倍增管、工作在反向偏置电压状态下的光电二极管、光电三极管。恒流源型光电检测器件的伏安特性61、图解计算法()bLUIUIR包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算：Q点为输入电路的静态工作点；当输入光通量改变时，在负载电阻上会产生变化的电压信号输出。7图解法特别适用于大信号状态下的电路分析。例如在大信号检测情况下可以定性地看出输出信号的波形畸变。在用作光电开关的情况下，可以借助图解法合理地选择电路参数使之能可靠地动作，同时保证不使器件超过其最大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率。8（a），减小负载（斜率增大），使输出信号电流增大而电压减小。负载的减小受到最大工作电流和功耗的限制；过大的负载，使负载线越过转折点M进入非线性区，使信号失真。（b），增大偏置电压使输出信号电压幅度增大，改善线性度，但功耗随之增大，且可能使光电二极管反向击穿。92、解析计算法分段折线化伏安特性转折电压U0---对应于曲线转折点M处的电压值初始电导G0---非线性区近似直线的初始斜率结间漏电导G---线性区各平行直线的平均斜率光电灵敏度S---单位输入光功率所引起的光电流值10(,)dpIfUIIGUS设输入光功率为P，对应的光电流为Ip，则/pSIP线性区内伏安特性可表示为工作点附近的微小光通量变化？P262（7-4）11在输入光通量变化范围有限已知的条件下，解析法的计算步骤如下：（1）确定线性工作区由对应最大输入光通量Φmax的伏安特性弯曲处即可确定转折点M。再确定相应的转折电压U0和初始电导值G0。000maxGUGUSmax00SUGGmax00SGGU12000maxGUGUS13（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Φmax对应的伏安曲线的交点不能低于转折点M。设负载线通过M点，则000()bLUUGGUUb已知，得GL：0max0max000(1)LbbUSGGSGUUUGGGL（RL）已知，可得偏置电源电压Ub：max00()()LbLSGGUGGG14000()bLUUGGUmaxmaxmin()LbGUUGUSH点：M点：00max()LbGUUGUS15计算过程：光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压幅度为U=Umax-U0（3）计算输出电压幅度maxmaxmin()LbGUUGUSH点M点00max()LbGUUGUS联立求解两式，得maxminLLUSSGGGG（负载减小，输出电压幅值减小）16（4）计算输出电流幅度maxminLIIIGU1/LLIGUSGG通常GLGIS（负载减小，输出电流幅值增大）17（5）计算输出电功率由功率关系P=UI，得22()LLLSPGUGGG18光伏型器件光电信号输入电路伏安特性：一组以入射光功率为参量的曲线簇，分布在伏安坐标系的第四象限。器件的端电压和电流的方向相反，对外电路形成电势，可对负载供电。包括光电池和工作在光电池状态的光电二极管。19201、光伏型器件输入电路的形式主要有以下3种形式：212、无偏置输入电路的静态计算①根据等效电路建立回路方程LUIR/0/0(1)(1)TLTUUpIRUpIIIeIIe22②根据图解法确定静态工作点Q233、根据负载电阻分析光电池工作状态：负载较小情况下，光通量较低时，光通量与负载上电流、电压近似线性。24（1）短路或线性电流放大区域Ⅰ后续电流放大级作为负载，从光电池中吸取最大的输出电流，要求负载电阻或者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，大且线性好，噪声电流低，信噪比高，实用弱信号检测）。/00(1)|LTLIRUpRscIIIeISIS2526（2）空载电压输出区域Ⅳ，是一种非线性电压变换状态。此时光电池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。000ln(1)lnlnppocTTIIKTSUUUqIII开路电压最大值受势垒高度限制，通常为0.45—0.6V。较小的光通量可引起电压输出较大，对弱光检测有利，尽管线性不好，可用作开关元件27（3）线性电压输出区域Ⅱ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，但增大到一定临界值时，输出信号将发生非线性畸变。如何确定负载电阻的临界值？2011[1()()]2!3!LLLTTTIRIRIRISIUUU1LTIRU当时，有2801LTSIIRU由于I0I,有=IS29可变电阻型器件光电信号输入电路代表器件：光敏电阻、热敏电阻。1、简单输入电路30两种典型的工作状态：（1）恒流偏置当负载电阻比光敏电阻大很多时，即LRRbLLUIR负载电流与光敏电阻阻值无关，近似保持常数。此状态又叫做恒流偏置状态。31（2）恒压偏置负载电阻比光敏电阻小很多时，即LRRLbLUSUR可以认为加在光敏电阻上的电压近似为电源电压Ub，与R无关。此状态又叫做恒压偏置状态。322、电桥输入电路33选择两个性能相同的热敏电阻RT作电桥测量臂电阻，普通电阻作为补偿臂电阻。1221TTRRRR无外来辐照时，调节使电桥平衡，有电桥输出信号为0。0OU34101TRRR有外来辐照时，引起电阻温升，有1TR为热敏电阻01R为暗电阻电桥平衡破坏，输出电压为2001122()()bTURRURRRRR此式可进一步简化。357.2、光电信号检测电路的动态计算很多场合下,光信号是随时间变化的，例如瞬变信号或各种形式的调制光信号交变光信号的特点是信号中包含着丰富的频率分量;当信号微弱时，需要多级放大与缓慢变化光信号检测电路的静态计算不同，在分析和设计交变光信号检测电路时，需要解决下述两项动态计算问题1）避免非线性失真:确定动态工作状态，使在交变光信号作用下负载上能获得不失真的、线性电信号输出。2）避免线性失真（频率不失真，包括幅频和相频）: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。36一、输入电路动态工作状态的计算在交变光信号输入电路中，为提供检测器件的正常工作条件，首先要建立直流工作点输入电路和后续电路通常是经阻容连接等多种方式耦合的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首先确定在交流光信号作用下电路的最佳工作状态：确定直流工作点Q设输入光照度为e＝E0＋Emsinωt等效交流负载为Rb和RL的并联,是交流负载线的斜率的倒数交流负载线MN过转折点MMN与E=E0时的伏安特性曲线的交点为静态工作点Q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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一、输入电路动态工作状态的计算交流负载线直流负载线bLmmGGIUmmEmgUESIgGGESULbmEm222121][gGGESGUIPLbmELmLm最大功率输出下的负载电阻gGGRbLL001/mEmLmmmLLmELmLmEmESUPIUGGESPGESU2122182002000200/)(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的电流值由直流负载线有此外，阻抗匹配时，Q点电压比较可得：阻抗匹配即对应最大输出功率下的直流偏置电导bEbbQbQbQEQQGgESUGUGUUIESgUI00)(MbmEMmQUgGSSUUU)(20MMbMmEbUUUgUEESG)()(22200交流负载线直流负载线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是处于线性区域的工作特性图解。图中直流负载是通过原点，斜率为Gb的直线当输入光照度为e＝E0＋Emsinωt时，光电池特性曲线中对应于E＝E0的曲线与直流负载线相交于Q点，Q是静态工作点一、输入电路动态工作状态的计算对于GL＝Gb＝GL0的最大功率输出条件下输出电压、功率和电流有类似的形式偏置电阻Rb0＝RL0＝2UM/SE(2E0+Em)M是交流负载线与最大输入光照度e＝E0＋Em对应的光电池曲线的交点41二、光电检测电路的频率特性频率特性反映检测系统的动态响应能力分析法：时域法、频域法与光电器件本身特性、检测电路形式、阻容参数有关频谱分析以傅里叶变换为基础描述频率特性的参数：通频带ΔF，ΔF越大，信号通过能力越强421．光电检测电路的高频特性以反向偏置光电二极管交流检测电路为例微变等效电路图二、光电检测电路的频率特性电路方程，与二极管参数Cj和g有关LbLLLjjgEbjgLUGiGiCjigieSiiii)/(,/1)/(bLjLLLbLEjbLELGGgCRUijGGgeSCjGGgeSU不同工作状态下的简化形式给定输入光照度，在负载上取最大功率输出时：RL=Rb,gGb希望在负载上取得最大电压输出时希望在负载上取得最大电流输出时jLHCCRf121jbHCCRf2/1jLHCCRf2/1432、光电检测电路的综合频率特性（1）高频段（2）中频段（3）低频段442．光电检测电路的综合频率特性输入电路频率特性二、光电检测电路的频率特性210210lg20lg20lg20|)(|lg20)1)(1()()()(TTKTjWjTjTTKjEjUjWjL1)高频段(ωω2))1(/)(210jTTTKjWjH2)中频段(ω1ωω2)3)低频段(ωω1))1()(10TjjKTjW常数10/)(TTKjWjM考虑隔直电容和分布电容的影响453．光电检测电路频率特性的设计电路设计的基本要求非线性不失真频率不失真电路通频带应足以覆盖光信号的频谱分布设计内容对输入光信号进行傅里叶分析,确定频谱分布确定多级光电检测电路的允许通频带和上限截止频率根据级联系统的带宽计算方法，确定单级检测电路的阻容参数二、光电检测电路的频率特性46频率特性设计实例例：用2DU1型光电二极管和两极相同的放大器组成光电检测电路。被测光信号的波形如图a所示，脉冲重复频率f=200kHz，脉宽t0=0.5μs，脉冲幅度1V，设光电二极管的结电容Cj=3pF，输入电路的分布电容C0=5pF，设计该电路的阻容参数求解步骤1.分析信号频谱信号频谱间距(基波):Δf=1/T=200kHz信号带宽:F=1/T0=2MHz选取高频截止频率:fHC=1.5F=3MHz低频截止频率:fLC=200HztTjnnnt