光电检测技术及应用徐熙平第6章节光电检测系统典型电路

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1、05八月2021《光电检测技术及应用》第6章光电检测系统典型电路任课教师：徐熙平目录6.1光敏电阻的变换电路基本偏置、恒流电路、恒压电路6.2光生伏特器件的偏置电路反偏、零偏6.3光电管的偏置电路6.4CCD器件驱动电路驱动电路时序方法、可编程器件产生驱动时序6.5视频信号二值化处理电路阈值法、微分法6.6光电信号辨向处理与细分电路第6章光电检测系统典型电路光电检测电路由光电器件、输入电路和前置放大器等部分组成将光信号转换成相应的电信号为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换（如将电流或电阻变换为电压），同时

2、完成和前置放大器的电路匹配。光电器件输出的微弱电信号由前置放大器进行放大，前置放大器另一作用是匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。（1）灵敏的光电转换能力；（2）快速动态响应能力；（3）最佳的信号检测能力；（4）长期工作的稳定性和可靠性。设计要求：第6章光电检测系统典型电路一、光敏电阻的变换电路1、基本偏置电路简单的偏置电路微分得：将代入得：即：当电路参数确定后，输出电压信号与弱辐射入射辐射量（照度ev）成线性关系。第6章光电检测系统典型电路一、光敏电阻的变换电路2、恒流电路晶体管恒流偏置电路在简单偏置电路中，当

3、RL》R时，流过光敏电阻的电流基本不变，此时的偏置电路称为恒流电路。基极电压稳定基-射结电压固定电阻恒定电流流过光敏电阻的电流为恒流与光敏电阻阻值的平方成正比，与光电导灵敏度成正比。第6章光电检测系统典型电路一、光敏电阻的变换电路3、恒流电路恒压偏置电路在简单偏置电路中，当RL《R时，加在光敏电阻上的电源电压Ubb为不随入射辐射量变化的恒定电压，此时的偏置电路称为恒压偏置电路。当时，。即加在光敏电阻上的电压为恒定电压。基极电压稳定近似为0.7V输出信号电压与光敏电阻的阻值无关。第6章光电检测系统典型电路二、光生伏特

4、器件的偏置电路1、反向偏置电路偏置电压与内建电场的方向相同的偏置电路称为反向偏置电路。a)原理示意图b)反向偏置电路光生伏特器件的反向偏置电路当时，流过负载电阻的电流为：输出电压为：第6章光电检测系统典型电路二、光生伏特器件的偏置电路光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围和光电变换的动态范围加宽。因此，反向偏置电路被广泛地应用到大范围的线性光电检测与光电变换中。光生伏特器件反向偏置电路的输出特性曲线输出电压的动态范围取决于电压电压与负载电阻。电流的动态范围

5、也与负载电阻有关。第6章光电检测系统典型电路二、光生伏特器件的偏置电路反向偏置电路的输出电流与入射辐射量的关系为：暗电流忽略不计，则：输出电压与入射辐射量的关系为：输出信号电压为：反向偏置电路输出信号电压ΔU与入射辐射量的变化成正比，变化方向相反，输出电压随入射辐射量增加而减小。第6章光电检测系统典型电路二、光生伏特器件的偏置电路2、零伏偏置电路PN结光生伏特器件在自偏置的情况下，若负载电阻为零，该偏置电路称为零伏偏置电路。零伏偏置电路零伏偏置电路只适合对微弱辐射信号的检测，不适合较强辐射的探测领域。若要获得大范围

6、的线性光电信息变换，应该尽量采用光生伏特器件的反向偏置电路。第6章光电检测系统典型电路三、光电管的偏置电路1、主放大器设计典型放大电路主放大器的电压放大倍数：为了使后续电路的正常工作，设计时需要设定合理的电阻值，以便得到所需幅值的输出电压，即：第6章光电检测系统典型电路三、光电管的偏置电路2、滤波器设计二阶带通滤波器的幅频特性频带宽度为：F1上限截止频率；f2下限截止频率；f0为中心频率；Q为品质因数；Q值越大，则随着频率的变化，增益衰减越快。这是因为中心频率一定时，Q值越大，所通过的频带越窄，滤波器的选择性好。第

7、6章光电检测系统典型电路三、光电管的偏置电路二阶带通滤波器低通滤波器：高通滤波器：第6章光电检测系统典型电路三、光电管的偏置电路3、完整的检测电路设计某光电检测系统电路图第6章光电检测系统典型电路四、CCD器件驱动电路2048像元线阵CCD结构示意图基本功能是电荷的存储和转移；基本工作是信号电荷的产生、存储、传输和检测；CCD摄像器件可分为线阵和面阵两大类。线阵CCD多用于一维尺寸检测，面阵CCD多用于二维形状或图像采集与处理。第6章光电检测系统典型电路四、CCD器件驱动电路由像敏区、存储区、水平移位寄存器和输出部

8、分等构成。有效像元数为754(H)×583(V)；像素单元尺寸(长×高)为12.0μm×11.5μm；像敏面积为9.05mm×6.70mm。a）面阵CCD管脚图b）面阵CCD结构原理图图6-13面阵CCD管脚与结构原理图第6章光电检测系统典型电路四、CCD器件驱动电路1、CCD驱动电路时序方法直接数字电路驱动方法，驱动频率高，但逻辑设计比较复杂。单片机驱动方