光电探测器的偏置电路演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电探测与信号处理,第四章 光电信号处理,华中科技大学,1,第四章 光电信号处理,教学内容,课内学时,课外学时,4.1 光电探测器的偏置电路,4.1.1 探测器伏安特性回顾及基本概念,4.1.2 可变电阻型探测器的偏置和设计,4.1.3 恒流源型探测器的偏置和设计,4.1.4 光生电势型探测器的偏置和设计,4.2 光电探测器的放大电路,4.2.1 放大器的噪声模型,4.2.2 放大器的外部电路设计,4.2.3 多级放大器的噪声影响,4.3 微弱信号检测,4.3.0 概述4.3.1 信噪比改善（SNIR）4.3.2 相关检测原理4.3.3 锁定放大器4.3.4 取样积分器,8h,8h,2,4.1.1 探测器伏安特性回顾及基本概念,4.1.2 可变电阻型探测器的偏置和设计,4.1.3 恒流源型探测器的偏置和设计,4.1.4 光生电势型探测器的偏置和设计,4.1光电探测器的偏置电路,3,4.1.1 探测器的伏安特性回顾及基本,概念,4,可变电阻型,光生电势型,恒流型,PC,器件,电阻型热探测器,（加偏置，不分正负）,PV,器件，,PMT,（加反向偏置）,光电池,（不加偏置,）,一、探测器的伏安特性,5,1可变电阻型探测器的伏安特性,光电导探测器,（光敏电阻）,6,2恒流源型探测器的伏安特性,（1）光电倍增管,阳极与末极倍增极间的电压/V,I/A,7,（2）光伏探测器,8,（a）光电二极管,9,（b）光电三极管,10,3光生电势型探测器的伏安特性,光电池,11,静态：,当电路没有输入信号时（对光信号而言指恒定的或缓慢变化的光信号），电路中各处的电压、电流都是不变的直流，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。在静态工作情况下，负载线和伏安特性曲线的交点称为,静态工作点,。,动态：,当电路输入信号后，电路中各处的电压、电流处于变动状态，这时电路处于动态工作状态，简称动态。如在许多场合下，光电检测电路接受到的是随时间变化的瞬变信号或各种形式的调制光信号。在动态工作情况下，负载线和伏安特性曲线的交点称为,动态工作点,。,1.静态和动态,二.基本概念,12,电路中直流信号和交流信号是同时存在的，为了分析研究方便，将两种信号对电路的作用分开讨论，即分为直流通路和交流通路。,直流通路,:在直流电源作用下直流电流流过的通路，即静态电流通路。主要用于求解静态工作点。,直流通路的确定方法:,(a),将电容开路；,(b),将电感短路，忽略内阻；,(c),信号源短路，保留内阻。,2.直流和交流通路,13,交流通路,:在输入信号作用下交流电流流过的通路，即动态电流通路。主要用于确定电路的动态参数。,交流通路的确定方法:,(a),将电容视为短路；,(b),将电感视为开路；,(c),将直流电源视为短路。(小内阻),信号的不同分量可以分别在不同的通路中分析。,在分析电路时，应遵循“先静态，后动态”的原则，求解静态工作点Q时应用直流通路，求解动态参数时应用交流通路，两种通路必须分清，不可混淆。,14,RC耦合共射放大电路,开路,开路,R,B,+,E,C,R,C,C,1,C,2,T,直流通道,R,B,+,E,C,R,C,利用上述原则，阻容耦合共射放大电路的直、交流通路分别为:,15,对交流信号(输入信号,u,i,),短路,短路,置零,R,B,+,E,C,R,C,C,1,C,2,T,R,B,R,C,R,L,u,i,u,o,交流通路,16,4.1.2 可变电阻型探测器的偏置和设计,17,：探测器电阻,：偏置电阻（或负载电阻）,一、基本偏置的,静态,设计,1.图解法,负载回路方程,伏安曲线,负载线,伏安特性,（缓变辐射）,18,2.解析法,偏置电流,输出点电压,光敏电阻功耗,入射辐射变化时，偏置电阻,R,L,两端的输出信号电流、电压变化为,？,电路参数确定后，输出信号变化与入射辐射量的变化成线性关系。,19,设入射于光敏电阻的辐射为调制辐射正弦，,R,L,R,d,i,p,C,d,V,L,等效微变电路,基本偏置电路,二、基本偏置的动态设计,20,输出的交流部分电流,输出的交流部分电压,交流负载线,21,检测微弱信号时需考虑器件的固有噪声：,热噪声、产生复合噪声及/,f,噪声,光敏电阻若接收调制辐射，其噪声的等效电路如图所示,i,p,i,ngr,i,nt,i,nf,R,L,R,d,C,d,考虑噪声时的噪声等效电路,22,4.1.3 恒流源型探测器的偏置和设计,（光电二极管）,参考：孙培懋，光电技术,康华光，电子技术基础，第三版,23,一.,静态,（直流或缓慢变化辐射）,（1）基本电路,24,负载线的确定：,I0，（N点）；,V=0,（T点）,负载线的斜率,：,1/R,b,。,当输入光通量由,0,作,缓慢改变时，在负载电阻上会产生,V,电压输出和,I,Q,的电流信号输出。,（2）确定静态工作点,负载线和静态工作时所对应的伏安特性曲线的交点Q即为输入电路的静态工作点。,25,电路参数,R,b,对输出信号的影响,由图可知：在一定偏压下，随,R,b,增大，输出信号电压范围变大，但过拐点,M,后，信号会产生畸变。,M,（3）参数分析（R,b,和,V,b,）,R,b,影响,M,26,R,b,值一定时，未过拐点M之前，V,b,增大使输出信号电压线性改善。V,b,过大使功耗加大，引起PD反向击穿。,V,b,影响,电路参数,V,b,对输出信号的影响,M,27,结论：,在利用图解法确定R,b,和V,b,时，应根据输入光通量的变化范围和输出信号的幅度要求，使负载线稍高于拐点M，并保证V,b,不大于最高工作电压V,max,。,M,28,例1用2DU测缓变辐射通量（静态）。已知2DU的电流灵敏度 ，在测光范围中最大辐射通量100,W,伏安特性曲线的拐点电压V,M,=10V，若电源电压V,b,=15V。,要求负载线建立在线性区内。求：,（1）保证输出电压最大时的R,bmax,=?,（,2,）辐射通量缓慢变化,10,W,时，输出电压的变化量.,思 考 题,29,解：依题画出如下简图,(1).,为保证,2DU,工作于线性区且,R,b,最大，过拐点作负载线，则,:,(2).输出电压:,30,二、动态工作状态设计,（,动态工作点频率响应）,1.输入电路动态工作点的计算,原则：先直流，再交流,31,反偏压PD的交变光探测基本电路,（1）根据直流通路确定静态工作点,反偏压PD的交变光探测电路直流通路,回路方程,V,32,斜率为1/R,b,的直流负载线和照度为E,0,的伏安特性曲线的交点确定静态工作点Q,Q,33,（2）根据交流通路确定动态负载线和工作区域,V,反偏压PD的交变光探测基本电路,反偏压PD的交变光探测电路交流通路,在信号通频带范围内，耦合电容C可以认为是短路。,34,交流负载线与光照度,E=E,0,对应的伏安特性相交于,Q,点。,交流负载线斜率由,R,L,/,R,b,决定，同时为了充分利用器件的线性区间（使输出信号最大），对应的交流负载线应通过特性曲线的转折点,M,。,设光照度变化：,则光照度变化范围:,等效交流负载电阻：,Q,M,(V,M,),V,Q,V,b,/R,b,I,I,QV,Q,+V,m,V,Q,-V,m,I,Q,-I,m,I,Q,+I,m,35,（3）计算,信号线性输出最大,时，负载R,L,上的交流输出电压峰值V,m,、电流峰值I,Lm,和负载功率P,L,Q,M,(V,M,),V,Q,V,b,/R,b,I,I,Q,V,Q,+V,m,V,Q,-V,m,I,Q,-I,m,I,Q,+I,m,（有效值）,（峰值）,（峰值）,36,将,P,L,对,G,L,求偏微分，得最大功率输出条件为:,（4）计算,负载最大功率输出,时负载R,L,上的输出电压V,Lmax,、电流I,Lmax,和负载功率P,Lmax,电流由负载和偏置电阻均分,37,大三角中,（5）计算最大功率输出时直流偏置电阻R,b0,和偏置电压V,b,或,当已知电源电压,V,b,时，可计算出偏置电阻,R,b,。,Q,M,(V,M,),V,Q,V,b,/R,b,I,I,Q,V,Q,+V,m,V,Q,-V,m,I,Q,-I,m,I,Q,+I,m,小三角中,38,2.探测电路的频率特性计算,高频短路,列出电路的回路方程：,基本电路,微变等效电路,SE,39,分析：不同工作状态下的V,L,表示,1）给定输入光照度在负载上取得最大功率输出时（R,L,=R,b,，gR,b,，gG,b,）,41,3）电流放大时，希望负载上取得最大电流输出（R,L,R,b,，gG,b,）,42,比较,为得到足够的信号功率和电压，R,L,和R,b,要大，从而降低高频截止频率，使通频带宽度降低。,采用低输入阻抗高增益的电流放大器,电流放大,R,L,R,b,功率放大,R,L,=R,b,43,习 题,1.用2CU接收激光信号，2CU的S=0.5A/W，,=25W时，伏安特性曲线拐点电压V,M,10V，结电容C,1,3pF，电源电压V,b,60V，引线分布电容C,0,7pF，设激光的辐射通量,=(20+5sint)W，求管子在线性区，获得最大功率时的偏置电阻R,b,和负载电阻R,L,，V,Lmax,，I,Lmax,和上限截止频率。,44,2.PMT阳极特性为：时，I,A,=200A，拐点电压V,m,60V，阳极电压V,A,90V，要求在线性区内的负载电阻获得最大的输出电压，求：,a.直流负载R,b,？,b.如果入射的最大光通量由410,-5,lm缓变为2.510,-5,lm时,（静态工作点的改变），,求输出电压的变化量。,45,4.1.4 光生电势型探测器的偏置和设计,（光电池）,46,一.光生电势型探测电路的静态计算,V,流过探测器的总电流：I=I,P,-I,d,（未考虑表面漏电流）,1.基本电路,2.回路方程,其中,47,由伏安曲线，对于给定的,0,，只要选定R,L,，工作点Q就能由负载线与光电池相应伏安曲线的交点决定。该点的I,Q,和V,Q,即为R,L,上的输出值。相对,0,的光通量增量将形成对应的电流变化I和V3.确定直流负载线,48,由图知：对确定的电阻R,L,（以R,Ls,为例）,，,当输入光通量较小时，负载上的输出电压和电流随光通量成正比例增加；,当入射光通量较大时，输出电压和电流呈饱和状态（非线性）。电阻越大越明显。,(1),的影响,4.分析输入光通量,和负载电阻R,L,对输出的影响,49,由图知：对应相同的=,1,2,，,当R,L,R,LS,时，呈非线性（电压饱和），在检测电路中往往希望线性。,（2）R,L,的影响,50,V,P,I,V/I/P,R,L,o,R,Ls,（c）,在同一入射光通量下，负载电阻对光电池输出电压、电流、功率的影响曲线如图所示,51,（c）,（a）短路或线性电流放大（R,L,=0）,电流变换状态，负载输出光电流最大；,要求后续放大器输入阻抗尽可能小；,与入射光通量有,良好的线性关系,；,短路状态下器件噪声电流较低，信噪比改善，最适用于弱光信号的检测。,三种工作状态：,52,当,有,则：,（b）空载电压输出（I=0）,利用上式，可在已知、V,oc,时，计算另一下的 V,oc,相减,53,在第三区域可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，但却引起输出信号的非线性畸变。因此需确定负载电阻的临界值。,（C）线性电压输出,54,图解法计算临界电阻R,LS,由给定的,max,，,取,与伏安特性曲线交于S点，得到临界负载R,LS,即临界电阻R,LS,上的V,s,为,max,对应的输出电压变化为：,I,P,55,综上所述，线性区工作分两种情况：,电流放大：,要求,R,L,与后级放大器的输入阻抗尽量小，使负载线靠近电流轴以得到最大的电流输出。,输出电流变为,I,SC,和有良好的线性关系,电压放大：,在保持良好线性情况下，有最大的电压输出，负载线可接近临界负载线，则输出电压为:,56,例:光电池在光照度为100lx时，开路电压为V,OC,=180mV,I,SC,=80,A。,求在由,50lx,增加到,200lx,时，为保证线性输出所需最佳负载电阻值和输出电压变化量。,思考题,57,例:光电池在光照度为100lx时，开路电压为V,OC,=180mV,I,SC,=80,A。,求在由,50lx,增加到,200lx,时，为保证线性输出所需最佳负载电阻值和输出电压变化量。,解：（,1,）计算,200lx,下的开路电压,（,2,）计算线性区域内光电池的电流响应度,（,3,）计算无偏压时最佳电阻和输出电压变化量,58,补 充,有反偏压的光电池电路,回路方程,M,59,反偏压输入电路中通过转折点M的R,L,可以取得比无反偏时的R,L,更大，,V的范围也更大,，可见，,加反偏扩大了线性输出电压范围,。,60,例:光电池在光照度为100lx时，开路电压为V,OC,=180mV,I,SC,=80,A。,求在由,50lx,增加到,200lx,时，为保证线性输出所需最佳负载电阻值和输出电压变化量。,若加有反偏压Vb0.3V，允许选用的负载电阻R,L,？输出电压,V=?,61,例:光电池在光照度为100lx时，开路电压为V,OC,=180mV,I,SC,=80,A。,求在由,50lx,增加到,200lx,时，为保证线性输出所需最佳负载电阻值和输出电压变化量。,若加有反偏压Vb0.3V，允许选用的负载电阻RL？输出电压,V=?,62,二.,光电池交流检测电路,输入光照度为：,直流通路,（1）根据直流通路确定静态工作点,V,I,回路方程,63,静态工作点：通过原点作直流负载线，与E=E,0,交点Q，斜率,64,（2）根据交流通路确定动态负载线和工作区域,交流通路,65,交流负载线：过Q点，斜率,与最大输入光功率,E,0,+E,m,对应的曲线相交于,M,点。,M点的电压V,M,应满足：,V,m,是与正弦输入光照度对应的输出电压峰值.,66,（3）计算负载R,L,上的输出电压V,m,、电流I,L,和负载功率P,L,由图可知:,输出负载R,L,上的功率值P,L,为:,67,（4）计算最大功率输出时负载R,L,上的输出电压V,Lmax,、电流I,Lm,和负载功率P,Lmax,将P,L,对G,L,求微分，可得最大功率输出条件：,得最大功率输出时:,（有效值）,（峰值）,（峰值）,68,在,Q,点处有,：,比较上两式得：,或,且根据图中关系：,（5）计算最大功率输出时直流偏置电阻R,b0,69,例,硅光电池,2CR31,。在,100lx,光照下,V,OC,=400mV,I,SC,=30,A,若输入光照度,求 最大功率线性输出时,思考题,70,例,硅光电池,2CR31,。在,100lx,光照下,V,OC,=400mV,I,SC,=30,A,若输入光照度,求 最大功率线性输出时,解：画出工作电路和特性曲线：,71,(1)计算V,M,最大照度：,(2)计算直流偏置电阻R,b0,(3)计算输出电信号：,或,72,