文档介绍：第4章光电信号检测电路
光电科学系
主要内容
光电检测电路的设计要求
光电信号输入电路的静态计算
光电信号检测电路的动态计算
光电信号检测电路的噪声
前置放大器
光电检测电路举例
通常的光电检测电路组成
光电器件
输入电路
前置放大器
光电器件是实现光电转换的核心器件,是沟通光学量和电子系统的接口环节,把被测光信号转换成相应的电信号。
输入电路是为光电器件提供正常的工作条件,进行电参量的变换,同时完成和前置放大器的电路匹配。
前置放大器将光电器件输出的微弱电信号进行放大,同时匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。
光电检测电路的设计要求
设计原则:根据光电信号的性质、强弱、光学的和器件的噪声电平以及输出电平和通频带等技术要求来确定电路的连接形式和电路参数,保证光电器件和后续电路最佳的工作状态。使整个检测电路满足下列要求:
灵敏的、较强的光电转换能力:光电灵敏度。
快速的动态响应能力:频率响应及选择特性。
最佳的信号检测能力:信噪比(SNR)、等效噪声功率(NEP)。
长期工作的稳定性和可靠性:
光电信号输入电路的静态计算
静态计算法是对缓慢变化的光信号采用直流电路检测时使用的设计方法,由于光电检测器件的非线性伏安特性,所采用的方法包括三线性电路的图解法和分段线性化的解析法。按照伏安特性的基本性质可分为三种类型:恒流源型、光伏型和可变电阻。下面以光电二极管或光电池为线索分别介绍各种工作状态下的电路计算方法。
16
12
8
4
0
5 10 15
M
1200
800
400
0
40 80 120
5
4
3
2
1
0
200 400 600 800 1000
光电倍增管
光电二极管
光电三级管
恒流源型器件光电信号输入电路
在工作电压较小时,曲线呈弯曲,存在一个转折点M,随电压增大,输出电流变化不大,趋于恒流。与晶体管集电极特性曲线类似,可以采用晶体管放大器类似的方法分析。区别在于光电流控制输出电流,而光电流是由输入光功率控制的。
1、图解计算法:利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。
负载线方程:
U
Ub
RL
I
负载线与对应输入光通量为
Φ0时的器件的伏安特性曲线交点Q,即为输入电路的静态工作点,当Φ0改变ΔΦ时,在负载电阻RL上产生的电压信号输出和的电流信号输出。
图解法适用于大信号状态下的电路分析,在大信号状态下,可定性地输出信号的波形畸变。在做光电开关情况下,可借助图解法合理地选择电路参数,如最大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率。
图中给出了Ub不变时,RL的大小对输出信号的影响:
输入光通量变化时,负载电阻的减小会增大输出信号电流,而减小输出电压。同时负载电阻的减小会受到最大工作电流和功耗的限制。而过大的RL又使输出负载线进入非线性区,使输出信号波形畸变。
图解法的应用:
1、负载电阻的影响分析:
图解法的应用:
2、偏置电压的影响分析:
功耗限制
图中给出了RL 不变时,Ub的大小对输出信号的影响:
当偏置电压增大时,输出信号电压幅度也随之增大,线性度得到改善,但电路的功耗随之加大,过大的偏置电压会引起光电二极管的反向击穿。