Transcript 第四章光电信号检测电路
第4章 光电信号检测电路 光电检测电路： 光电检测器件 光信号 电信号 输入电路 前置放大器 工作条件 信号放大 电路匹配 电路匹配 4.1 光电检测电路的设计要求 检测电路的设计要求： 1.灵敏的光电转换能力 2.快速的动态响应能力 3.最佳的信号检测能力 4.长期工作的稳定性和可靠性 4.2 光电信号输入电路的静态计算 类型划分（伏安特性性质）： 恒流源型 光电器件 光伏型 可变电阻型 光电信号输入电路的静态计算： ▪ 恒流源型器件光电信号输入 ▪光伏型器件光电信号输入 ▪可变电阻型器件光电信号输入 4.2.1 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的 性质。 典型器件：光电倍增管，光电二极管，光电三极管 伏安特性曲线： i/mA 5 i/uA 4 12 50μlm 1 8 2000 lx 500 lx 0 400 800 0 U/V 15mW/cm2 4000 lx 400 25μlm 20mW/cm2 M 6000 lx 800 2 0 16 75μlm 3 i/mA 10000 lx 100μlm 40 80 10mW/cm2 5mW/cm2 4 U/V 0 5 10 U/V 光电二极管 光电三极管 （反向偏置） ①转折点M ②各曲线近似平行，间距随Ф或E的增大趋于相等 光电倍增管 伏安特性与晶体三极管集电极特性相似，采用与晶 体管放大器类似的方法进行分析。 静态：放大电路没有输入信号时的工作状态 静态分析：确定放大电路的静态值——直流值 动态：放大电路有输入信号时的工作状态 动态分析：确定放大电路的输入电阻、输出电阻、放 大倍数等 对缓慢变化的光信号，采用直流电路进行检测， 需要进行静态计算以确定电路的静态工作状态 图解计算法 解析计算法 1. 图解计算法 分析：反向偏置下光电二极管的光电信号输入电路 基本电路： + U I _ Ub U 回路方程： U I U b IRL RL i Ub/RL +△I IQ Ф0+△Ф Ф0 Ф0-△Ф Q -△ I O arctan(1/RL) -△U UQ +△U ①画出负载线：U I U b IRL Ub U 交点：Ub、 Ub/RL ②确定静态工作点Q：负载线与对应Ф0伏安特性的交点 ③输入光通量变化△Ф，对应信号输出： U , I ④适用大信号下电路分析：如检测大信号下波形畸变 i 负载电阻RL与Ub对输出信号的影响 RL2 RL1 Ф0+△Ф M i 功耗限制 Ф0+△Ф Ф0 RL3 Ф0 Ф0-△Ф O Ф0-△Ф Ub U O Ub恒定：RL ↑ I ↓ ，U(I) ↑ 为提高输出信号电压 U(I) ，应增大RL，并使 负载线不进入非线性区 Ub1 Ub2 RL恒定： Ub ↑ Ub3 U U(I) ↑， 线性度↑， 功耗↑ 保证Ub<=Umax 2. 解析计算法 对伏安特性的非线性部分进行分段折线化 i i M M arctan G Q IQ arctan G0 Ip arctan G0 Id O U0 UQ 作直线与曲线相切 U O arctan G U0 U 连线MO 参数：◎转折电压U0 ◎初始电导G0 ◎结间漏电导G ◎光电灵敏度S S=Ip/Ф 或 S=Ip/E 线性区内任意点Q处的电流：I=Id+Ip=GU+SФ 分析步骤： ①确定线性工作区域 i ②计算RL与Ub ③计算输出电压幅度 Imax △Ф △I △U=Umax-U0 ④计算输出电流幅度 Imin △I=Imax-Imin ⑤计算输出电功率 Фmax M H arctan G0 arctan G O U0N Umax Ub-U0 Фmin arctan GL Ub Ф=0 U 4.2.2 光伏型器件光电信号输入电路 光伏型器件等效电路： 输出电流： I I 0 eqU / kT 1 I p 令 UT=kT/q，重新定义电流方 向得： I I p I 0 eU / UT 1 而： U UT ln I p I0 I I0 1. 光伏型器件输入电路的形式 2. 无偏置输入电路的静态计算 无偏置光电池输入电路 的等效电路： 回路方程： U IRL I I p I 0 eU / UT 1 图解计算法： RL对输出信号的影响： ①RL ↗： U↗, △U↗ 直到临界RM， RL ↗： U 饱和，I↘ ②RL恒定： Ф较小：U、I近似随Ф成 比例增加 Ф较大：U、I饱和，RL越 大越明显 由： I I p I0 e IRL / UT U UT ln 1 I p I 0 U / RL I0 UT U I p I 0 U / RL P UI ln RL I0 VOC/V ISC/mA UL 400 100 PL 200 0 80 IL RM Ⅰ Ⅱ 40 200 III RL/Ω 400 IV 根据不同的RL值，对光电池工作状态进行分析： （1）RL较小 ——短路或线性电流放大 （2）RL较大 ——空载电压输出 （3）RL在伏安特性线性范围 （4）确定RM 图解法确定RM i RM Φmax ISC IM M arctan (1/RM) O 0.7UOC UOC U 0.7U OC 0.7U OC RM近似计算为： RM IM S max 0.7U OC 输出电压变化： U RM I S 0.7U OC S max max 4.2.3 可变电阻型器件光电信号输入电路 可变电阻的阻值随输入光通量改变而变化，如光 敏电阻、热敏电阻 光敏电阻 R 1 1 G G p Gd 热敏电阻 RT R0 1 T 1. 简单输入电路 以光敏电阻为例进行分析。 输入电路： ①图解计算法 ②解析法 2. 偏置电路 ① 基本偏置电路 Ub I RG RL RL UL Ub RG RL 微变等效电路 RG iL iG RG RL 为了使光敏电阻正常工作，必须 正确选择Ub、RL。 为不使光敏电阻在任何 光照下因过热而烧坏 P IU PM 由基本偏置电路知 负载线方程为 U Ub IRL 联立二式得 U b U b 2 4 PM RL I 2 RL 要使负载线与PM曲线 不相交，则有 Ub 4PM RL 0 2 U b 2 此关系式对其它光电器件也适用 RL （当负载线方程相同时）。 4 PM ②恒流偏置电路 Ub I 在基本偏置电路中 RG RL Ub 可见I与光敏电阻 如果 RL RG I RL 无关，基本恒定。 光照改变引起输 出电压的变化为 dUL IdRG IR S g dL 电压灵敏度： dU L 2 2 SU IS g RG IRG dL 2 G 提高I或选择大的RG，可显著提高电压灵敏度。 实用中常采用的晶体 管恒流偏置电路。 适用于微弱光信号的 探测。 ③ 恒压偏置电路 在基本偏置电路中，当 RL RG 光敏电阻上 的电压为 光照改变输出 电压的变化为 Ub U IRG RG U b RG RL dU L SgUb RL dL 可见，输出电压信号与 光敏电阻的阻值无关。 需要更换光敏电阻时， 对电路状态影响不大。 实际常采用的恒 压偏置电路 ④ 恒功率偏置电路 在基本偏置电路中，若 RL RG 2 U U 光敏电阻消耗 2 2 b b P I R ( ) R G G 的功率为 RG RL 4RL 这种电路的特点是负载可获得最大功率输出。 3. 电桥输入电路 以热敏电阻为例进行分析。 采用电桥电路：避免可变电阻型器件受环境温度的影响 变换 RT1 R1 U0 RT2 R2 4.3 光电信号检测电路的动态计算 4.3.1 光电信号输入电路的动态计算 1. 光电二极管交流检测电路 分析步骤： ①确定最佳工作状态 i 设输入光照度为正弦变化：IQ+Im E E0 Em sin t IQ E0+Em M E0 Q arctan (GL+ Gb) ②建立直流工作点 IQ-Im ③计算输出电压与输出功率 ④最大输出功率 O E0-Em N arctan Gb UQ UQ-Um UQ+Um Ub U 2. 光电池交流检测电路 最大功率输出条件： 2U M Rb0 RL 0 S E 2 E0 Em 4.3.2 光电检测电路的频率特性 高频特性 电路方程： iL ig i j ib S E e ig ij jL ib UL g jC j GL Gb 其中：e=E0+Emsinwt 为输入光照度，iL为负载电流， ib是偏置电流， Cj为光电二极管的结电容，ij为结电容 电流，ig为光电二极管反向漏电流。忽略结电容Cc(对 高频信号短路）。 解得： SEe UL UL , iL g GL Gb jC j RL 改写为： S E e / g GL Gb UL Gj 1 j g GL Gb 其中： Cj g GL Gb ——检测电路时间常数 S E e / g GL Gb 1 j 1 上限频率 f H 2 则 UL 对应不同的工作状态，信号电压： （1）为获取负载上最大功率输出，要求： RL=Rb 且 g<<Gb RL SEe RL 2 则： U L , Cj , 1 j 2 1 fH RLC j （2）为获取负载上最大电压输出，要求： RL>>Rb 且 g<<Gb Rb S E e 则： U L , RbC j , 1 j 1 fH 2RbC j （3）为获取负载上最大电流输出，要求： RL<<Rb 且 g很小 则： U L RL S E e , RLC j , 1 j 1 fH 2RLC j 4.4 光电信号检测电路的噪声 背景 目标 光学系统 探测器 前放 光子噪声 探测器噪声 信号 处理 信号放大及处理电路噪声 信号辐射噪声 热噪声 散粒 噪声 背景辐射噪声 显示 产生-复合 1/f 噪声 温度 噪声 噪声 4.4.1 光电检测电路的噪声等效处理 等效噪声电路 热噪声等效电流源 IT R 4.4.2 典型光电检测电路的噪声估算 噪声估算的目的： 1. 确定器件和电路的固有噪声电平； 2. 计算信噪比； 3. 估算所必需的最小输入光功率。 噪声估算步骤： 1. 确定检测器件和前级电路的噪声源； 2. 计算等效电阻和复合阻抗下的噪声等效带宽，画出 噪声等效电路； 3. 计算噪声输出电压、信噪比、最小输入光功率值。 产生-复合噪声 2 4 I f 2 in N 0 [1 (2f ) 2 } cI 2 1/f 噪声 in f f 温度噪声 2 4 kT f 2 tn Gt [1 (2f t ) 2 ] 光电探测器 噪声功率谱 综合示意图 光电倍增管检测电路的噪声估算 4.5 前置放大器 一、 放大器的噪声 在光电检测系统中,首先对电信号进行处理的是前 置放大器，它的噪声对电路处理系统的影响也最大。 1. 放大器的噪声模型 效果： ● 放大器内部无噪声 ● 阻抗为0的噪声电压源 En串联在输入端 ● 阻抗为∞的噪声电流源 In与输入端并联 2. 等效输入噪声 用等效输入噪声Eni表示噪声源：En、In、ET的作用效果。 Eni 2 En 2 Et 2 I n 2 Rs 2 3. En、In的测量 ①由 Eni 2 Rs 很小 En 2 放大器输入端短路（RS=0），测得输出端的噪声电 压均方根值为Au En （Au电压增益），得En。 ②由 Eni 2 Rs 很大 I n 2 Rs 2 用大电阻RS，测得输出端的噪声电压均方根值 Au I n Rs 得In。 4. 噪声系数——评价网络的噪声特性 信号源 内阻Rs 信号源 电动势Es PSi 线性四端网络 PNi PSO 输出负载RL PNO 定义噪声系数： 输入信噪比 Psi / Pni F 输出信噪比 Pso / Pno ①对于理想无噪声网络：PO/NO= Pi/Ni，即F=1；当存 在噪声时，F>1，故F为等于或大于1的数。一个好的 放大器应使F接近于1。 ② F Psi / Pni Pno / Pso / Psi Pso / Pno Pni Pno / AP 放大器总的等效输入噪声功率 Pni 输入端源电阻噪声功率 Eni 2 En 2 In2 2 1 4kTRs f 4kTf Et ③ 噪声系数的分贝数表示 Psi / Pni FdB 10 lg F 10 lg Pso / Pno ④ 多级放大器的噪声系数 Fn 1 F2 1 F3 1 F F1 Ap1 Ap1 Ap 2 Ap1 Ap 2 Apn1 二、 前置放大器的设计步骤 1. 测试或计算光电检测器及偏置电路的源电阻Rs。 2.从噪声匹配原则出发，选择前置放大器第一级的管 型，选择原则： Ｒｓ＜１００Ω，可选用变压器耦合； １０ Ω＜Ｒｓ＜１ＭΩ，可选用三极管； １ＫΩ＜Ｒｓ＜１ＭΩ，可选用运算放大器； １ＫΩ＜Ｒｓ＜１ＧΩ，可选用结型场效应管； Ｒｓ＞１ＭΩ，可选用ＭＯＳ场效应管。 ３．选定管型后，第一、二级应采用噪声尽可能低的 器件，确定工作点，并进行工作频率、带宽等参量的 计算与选择。 三、 检测器件和放大电路的连接 1. 电流放大型 Zi Rf A 1 U o I sc R f R f S 2. 电压放大型 U o AU oc AU T lnS / I 0 R2 A 1 R1 3. 阻抗变换型 U o IR f I p R f R f S Po U o2 RL Ro RL 2 U o2 RL R 2f I 2p RL