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第4章 光电信号检测电路 * 光电检测电路： 光电检测器件 输入电路 前置放大器 光信号 电信号 工作条件 电路匹配 信号放大 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）： 光电器件 恒流源型 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： U/V 0 400 1 2 3 4 5 100μlm i/mA 75μlm 50μlm 25μlm 0 800 光电倍增管 0 400 800 10000 lx 6000 lx 4000 lx 2000 lx 500 lx 40 80 U/V i/uA 光电二极管 （反向偏置） 0 4 12 8 16 i/mA U/V 5 10 5mW/cm2 10mW/cm2 15mW/cm2 20mW/cm2 M 光电三极管 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 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。 图解计算法 解析计算法 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 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 + _ Ub RL I 回路方程： +△I -△I +△U -△U IQ Q UQ Ub/RL Ub arctan(1/RL) Ф0+△Ф Ф0-△Ф i U O Ф0 ①画出负载线： 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： ④适用大信号下电路分析：如检测大信号下波形畸变 负载电阻RL与Ub对输出信号的影响 i U Ub Ф0-△Ф Ф0+△Ф Ф0 O M RL1 RL2 RL3 Ф0-△Ф Ф0+△Ф Ф0 Ub1 Ub2 Ub3 U i O 功耗限制 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 RL恒定： Ub ↑ 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 arctan G U0 Q UQ IQ Ip Id arctan G0 arctan G0 arctan G U0 i U O M 作直线与曲线相切 M O U i 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： Imax Imin △I H Umax Ub-U0 arctan G i U O Ф=0 Фmax Фmin △Ф Ub arctan GL arctan G0 M U0 N ①确定线性工作区域 ②计算RL与Ub ③计算输出电压幅度 △U=Umax-U0 ④计算输出电流幅度 △I=Imax-Imin ⑤计算输出电功率 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： 令 UT=kT/q，重新定义电流方向得： 而： 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： 图解计算法： 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 RL对输出信号的影响： Ф较大：U、I饱和，RL越大越明显 由： ISC/mA 0 200 400 200 400 40 80 100 VOC/V UL PL IL RM RL/Ω Ⅰ Ⅱ III IV 根据不同的RL值，对光电池工作状态进行分析： （1）RL较小 （2）RL较大 （3）RL在伏安特性线性范围 ——短路或线性电流放大 ——空载电压输出 （4）确定RM arctan (1/RM) M O U i 0.7UOC IM RM UOC ISC Φmax 图解法确定RM RM近似计算为： 输出