光电检测发电路设计

⑴灵敏的光电转换能力：使给定的输入光信号在允许的非线性失真条件下有最佳的信号传输系数，得到最大的功率、电压或电流输出。⑵快速的动态响应能力：满足信号通道所要求的频率选择性或对瞬变信号的快速响应。⑶最佳的信号检测能力：具有为可靠检测所必需的信噪比或最小可检测信号功率。⑷长期工作的稳定性和可靠性。检测电路应满足下列技术要求：缓慢变化的光信号通常采用直流检测电路。直流检测电路的计算重点在于确定电路的静态工作状态，由于光电检测器件伏安特性的非线性，一般采用非线性电路的图解法和分段线性化的解析法来计算。我们将根据器件伏安特性的性质分作：恒流源型、光伏型和可变电阻型三种基本类型。6.1恒流源型光电检测电路的静态计算恒流源型光电检测器件的伏安特性a)光电倍增管b)光电二极管c)光电三极管⑴在工作电压较小的范围内曲线呈弯曲的趋势，并且有一转折点M。⑵工作电压加大后曲线逐渐平直。⑶对于不同的输入光通量，各曲线间近似平行且间距随光通量增大趋于相等。这种输出电流随器件端电压增大而变化不大的性质称恒流源特性。式中，U(I)是非线性函数。上式可利用图解法进行计算。LbLbIRUIUIRIUU在伏安特性上划出负载线Ub-IRL，它是斜率为-1/RL、通过U＝Ub点的直线。与纵轴交于Ub/RL点上。⑴画出负载线如果输入光通量为Φo，则负载线和对应于输入光通量为Φo时的器件伏安特性曲线的交点Q即为输入电路的静态工作点。当输入光通量由Φo改变+ΔΦ（或-ΔΦ）时，在光电二极管两端产生-ΔU（或+ΔU）的电压信号和+ΔI（或-ΔI）的电流信号。⑵光通量对输出信号的影响⑶负载对输出信号的影响当偏置电压Ub不变时，对于同样的输入光通量Φo±ΔΦ，负载电阻RL的减小→负载线的斜率增大→光电二极管两端电压△U(I)减小→输出电压△Uo减小。负载电阻RL的增大→负载线的斜率变小→光电二极管两端电压△U(I)增大→输出电压△Uo增大。但过大的RL会使负载线越过特性曲线的转折点M进入非线性区，这会使输出信号的波形发生畸变。321LLLRRR⑷电源对电路的影响但电路的功耗随之加大，并且过大的偏置电压会引起光电二极管的反向击穿。利用图解法确定输入电路的负载电阻RL和反向偏压Ub值时，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点M，以便得到不失真的最大电压输出，同时保证Ub不大于器件的最大工作电压Umax。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到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的动作，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。图解法的应用：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：⑴转折电压U0：对应于曲线转折点M处的电压值。⑵初始电导G0：非线性区近似直线的初始斜率。⑶结间漏电导G：线性区内各平行直线的平均斜率。⑷光电灵敏度S：单位输入光功率所引起的光电流值。SGUIIUfIpd,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。⑴由对应最大输入光通量Φmax的伏安曲线弯曲处即可确定转折点M。⑵相应的转折电压U0或初始电导值G0可由图中图示关系决定。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。在线段MN上有关系G0U0＝GU0+SΦmax由此可解得U0＝SΦmax/(G0-G)或G0＝G+SΦmax/U0为保证最大线性输出条件，负载线和与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，此时由上图a中的图示关系可得000UGGUULb⑴当已知Ub时，可计算出负载电导（阻）GL（RL）为000000000011GSGGUSGGUUSUUGGSGUUUGGbbbbLmaxmaxmaxmax⑵当RL已知时，可计算偏置电源电压Ub为GGGGGSGGSGGGGUGGULLLLLLb000000maxmax当输入光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压幅度为0UUUmax其中Umax和U0可由图中M和H点的电流值计算得到GGSGGSUGGSUGUGGSUGUSGUUUGMSGUUUGHLLLbLLbLbLbLminmaxmax0minmaxmax00minmaxmax点上：在点上：在输出电流幅度为：LLLLGGSGGSGUGIII1minmax通常GLG，上式可简化为SI2GGSGGGGSSUIPLLL已知硅光电二极管2DU2的灵敏度Si=0.55μA/μW，结间漏置电导G=0.02μS，转折点电压U0=13V，入射光功率从Φmin=15μW变到Φmax=35μW，供电偏电压为Ub=55V。求：⑴取得最大线性输出电压下最佳负载RL。⑵输出电压ΔU。(3)输出电流ΔI。SUSGUSGUGSGUUGiii51133555002010000000...)(maxmaxmaxMGRSUUUGGGUUUGLLbLLb1621464013551351000000...又VUUUVGGSUGUSGUUUGLibLbL72273520..)(maxminmaxminmaxmaxAUGIIIL51072246403...)(minmax6.2、光伏型光电检测电路的静态计算光伏型光电器件的伏安特性和等效电路光伏型光电器件的伏安特性是一组以入射光功率为参量的曲线组，分布在伏安坐标系的第四象限。由于器件的端电压U和电流I的方向相反，对外电路形成电势，所以具有赋能元件的性质，可对负载供电。有这种伏安特性的光电器件包括光电池和工作于光电池状态下的光电二极管等。⑴光电池的输出电流为：为二极管反向饱和电流条件下其中STIKTmVqkTU300261TUUSPDPeIIIII⑵光电池的两端电压为：SSPTIIIIUUln无偏置电路及其等效电路1TUUSPDPLeIIIIIIRU㈠负载对输出信号的影响由于光电池特性的非线性，负载电阻的选择会影响光电池的输出信号。例如在图中，对应光通量的增量ΔΦ＝Φ1-Φ2，在短路状态下（RL＝0），输出电流增量ΔI＝Isc2-Isc1，输出电压为零。随着RL的增大，电流逐渐变小，输出电压随之增大，直到某一临界电阻RM之后负载上的电压变得饱合。根据上述公式，在同一入射光通量下，负载电阻对光电池输出电压、电流、功率的影响曲线表示在图中。由图可见，根据选用负载电阻的数值可以把光电池的工作状态分作：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四个区域，分别由图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示。下面讨论前三种工作状态。可以定量地描述负载电阻对电路工作状态（I、U、P）的影响：SSLPLTSSLPTUIRsPIIRUIRUUIUPIIRUIUUeIIITLlnln1⑴短路或线性电流放大这是一种电流变换状态，在这种状态下，后续放大器作为负载从光电池中取得最大的输出电流。为此要求负载电阻或后续放大器输入阻抗尽可能小。由图可看到由于RL很小，输出电流接近于短路电流，它与入射光通量有良好的线性关系，即SISIeIIISCRUIRSPLTL01优点：在短路状态下器件噪声电流较低，信噪比改善，所以最适用于弱光信号的检测。短路电流随受光面积的大小而改变，同一片光电池的短路电流或低阻负载时的负载电流与受光面积的变化曲线表示在下图中，图中A为受光面积。这是一种非线性电压变换状态。此时光电池应通过高输入阻抗变换器与前级放大电路连接，相当于输出开路。开路电压可写成⑵空载电压输出STSPTSPTSSPTocISUIIUIIUIIIUUlnlnlnln11TUUSPeIIISSLPTIIRUIUUln所以开路电压(RL=∞时)可写成上式表明开路电压与入射光通量的对数成正比。并且由于Ip与光电池面积成正比，所以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。STSPTSPTSSPTocISUIIUIIUIIIUUlnlnlnln1已知在给定入射光功率（光照度E或光通量Φ）下的开路电压Uoc，求另一个入射光功率（光照度E′或光通量Φ′）下的开路电压Uoc′。STPTSPTocIUIUIIUUlnlnlnSTPTSPTocIUIUIIUUlnlnlnpPTocpTPTococIIUUIUIUUUlnlnlnSSII＝又lnlnlnTocTocpPTococUUSSUUIIUUU优点：通常光电池的开路电压为0.45～0.6V，在入射光强从零到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中简单地利用Uoc的电压变化不需加任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的优点。此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利。缺点：光电池开路电压与入射光功率呈非线性关系；这种使用方式的频率特性不好，受温度影响也较大，这是它的不足之处。空载电压输出电路的优缺点⑶线性电压输出这种工作状态在串联负载电阻上能得到与输入光通量近似成正比的信号电压。增大负载电阻有助于提高电压，但当负载增大到某一临界值RM(最佳负载电阻)时，输出信号开始非线性畸变。1TLUIRSPeIII上式展开成幂级数...!!2312111TLTLSTLUIRSPUIRUIRIUIRSeIIITL当(IRL/UT)1时，忽略高阶项，上式可简化为TLSURISI1由于当ISIp，所以SI该区域输出电流和输入光通量有线性关系临界电阻RM的计算在电压轴上选取临界电压UM＝0.7Uoc的垂直线，与对应伏安曲线相交于M点，这样也可以得到临界电阻的负载线。此处倍数0.7是经验数据。由于临界电阻RM上的电压UM为在线性关系要求不高的情况下，可以利用图解法简单地得到临界电阻RM值。ocMMMURIU70.式中，Uoc是对应Φmax时的值，对应的输出电压的变化为所以，RM值可近似计算为max..SUIURocMocM7070maxmax..ococpMUSSUIRU7070对确定的负载电阻如RM，当输入光通量较小时负载上的输出电流和电压近似地随入射光通量成正比例增加，而当入射光通量较大时输出电流和电压逐渐呈现饱合状态。负载电阻愈大情况愈明显（如图中R2的情况）。㈡光通量对输出信号的影响已知硅光电池2CR32的受光面积为50mm2，在室温30℃，入射光照度为1000W/m2的条件下，UOC=0.55V，ISC=12×10-3A。在200W/m2~700W/m2照度范围内，求：⑴取得最大线性输出电压下最佳负载RL。(2)输出电压ΔU。⑶输出电流ΔI。VEEUUUmWEWmAEISVUAImWETOCOCSCiOCSC5407001012550101210002261321.ln.max时的时45700101254070707016..ESU.IU.RmaxiOCPOCM从经验公式可知