南理工光电检测技术课程缓变光信号检测电路的设计-公开课件-文档在线预览.pptx

第六章、缓变光信号检测电路的设计;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。;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;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。;;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-Δ Φ ）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。;⑶负载对输出信号的影响;⑷电源对电路的影响;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。;;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。;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。;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。;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;⑵当RL已知时，可计算偏置电源电压Ub为;当输入光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压幅度为;输出电流幅度为：;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。;6.2、光伏型光电检测电路的静态计算;⑴ 光电池的输出电流为：;无偏置电路及其等效电路;㈠负载对输出信号的影响;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。;⑴短路或线性电流放大;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。;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;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。;;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。;⑶线性电压输出;上式展开成幂级数;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;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）。;已知硅光电池2CR32的受