光电信号检测电路设计说明书

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1、1第7章光电信号检测电路7.1光电检测电路的设计要求7.2光电信号输入电路的静态计算7.3光电信号检测电路的动态计算7.4光电信号检测电路的噪声7.5前置放大器7.6光电检测电路举例2概述光电检测电路组成对检测电路的要求灵敏的光电转换能力快速的动态响应能力最佳的信号检测能力长期工作的稳定性和可靠性输入电路前置放大器光电器件光源(成像系统)检测对象检测电路设计步骤电路静态计算电路动态计算噪声估算放大电路设计光信号31.灵敏的光电转换能力表示光电转换能力强弱的参数，通常采用光电灵敏度（或称传输系数、转换系数、比率等），即单位输入光信号的变化量所引起的输出电信号的变化量。2.快速的动态响应能力指

2、对检测系统每个环节动态响应都有要求。特别是在光通信等领域，对动态响应速度的要求甚至是第一位的。光电检测电路应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。3.最佳的信号检测能力信号检测能力主要是指光电检测电路输出信号中有用信号成分的多少，常用信噪比、信号功率等参数表征。4.长期工作的稳定性和可靠性如各种光电转换器件对温度稳定性均有要求。47.1缓变光信号检测电路设计类型恒流源型光电检测电路的静态计算光伏型光电检测电路的静态计算可变电阻型光电检测电路的静态计算缓变信号直流电路检测设计重点：静态计算（确定电路的静态工作状态）计算方法：图解法、分段线性化解析法5恒流源型器件光电信号输入电

3、路恒流源特性：输出电流随器件端电压增大而变化不大。相应器件：光电管、光电倍增管、工作在反向偏置电压状态下的光电二极管、光电三极管。恒流源型光电检测器件的伏安特性61、图解计算法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：Q点为输入电路的静态工作点；当输入光通量改变时，在负载电阻上会产生变化的电压信号输出。7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出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地动作，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。8（a），减小负载（斜率增大），使

4、输出信号电流增大而电压减小。负载的减小受到最大工作电流和功耗的限制；过大的负载，使负载线越过转折点M进入非线性区，使信号失真。（b），增大偏置电压使输出信号电压幅度增大，改善线性度，但功耗随之增大，且可能使光电二极管反向击穿。92、解析计算法分段折线化伏安特性转折电压U0---对应于曲线转折点M处的电压值初始电导G0---非线性区近似直线的初始斜率结间漏电导G---线性区各平行直线的平均斜率光电灵敏度S---单位输入光功率所引起的光电流值10设输入光功率为P，对应的光电流为Ip，则线性区内伏安特性可表示为工作点附近的微小光通量变化？P262（7-4）11在输入光通量变化范围有限已知的条件下

5、，解析法的计算步骤如下：（1）确定线性工作区由对应最大输入光通量Φmax的伏安特性弯曲处即可确定转折点M。再确定相应的转折电压U0和初始电导值G0。1213（2）计算负载电阻和偏置电压为保证最大线性输出条件，负载线和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，则Ub已知，得GL：GL（RL）已知，可得偏置电源电压Ub：14H点：M点：15计算过程：光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压幅度为U=Umax-U0（3）计算输出电压幅度H点M点联立求解两式，得（负载减小，输出电压幅值减小）16（4）计算输出电流幅度通常GL>>G（负载减小，输出电流幅值增大）17（5）计

6、算输出电功率由功率关系P=UI，得18光伏型器件光电信号输入电路伏安特性：一组以入射光功率为参量的曲线簇，分布在伏安坐标系的第四象限。器件的端电压和电流的方向相反，对外电路形成电势，可对负载供电。包括光电池和工作在光电池状态的光电二极管。19201、光伏型器件输入电路的形式主要有以下3种形式：212、无偏置输入电路的静态计算①根据等效电路建立回路方程22②根据图解法确定静态工作点Q233、根据负载电阻分析光电池工作状态：负载较小情况下，光通量较低时，光通量与负载上电流、电压近似线性。24（1）短路或线性电流放大区域Ⅰ后续电流放大级作为负载，从光电池中吸取最大的输出电流，要求负载电阻或者

7、后续放大电路的输入阻抗尽可能小（输出电流近似短路电流，大且线性好，噪声电流低，信噪比高，实用弱信号检测）。2526（2）空载电压输出区域Ⅳ，是一种非线性电压变换状态。此时光电池通过高输入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。开路电压最大值受势垒高度限制，通常为0.45—0.6V。较小的光通量可引起电压输出较大，对弱光检测有利，尽管线性不好，可用作开关元件27（3）线性电压输出区域Ⅱ在串联的负载电阻上能得到与输入光