4-2光电探测器偏置电路.ppt

第四章 光电信号处理 4.1光辐射探测过程的噪声 4.2光电探测器的偏置电路 4.3光电探测器的放大电路 4.4微弱信号检测 4.5锁定放大器 4.6取样积分器 4.7光子计数器 4.2 光电探测器的偏置电路 偏置：在探测器上加一定的偏流和偏压使探测器能在电状态正常工作，输出光电信号。 目的：取出光电信号。 偏置电路的设计依据：器件的伏安特性 同晶体管加电源和偏置电路选取适当工作点的情况类似。 探测器的伏安特性分三种类型： 4.2.1 光电导探测器的偏置 一、基本偏置电路分析 输出点A的直流电压： 例：化学沉淀PbS最大功耗Pm为0.2瓦每平方厘米,使用时要低于比值，取0.1瓦每平方厘米推导最大功耗Pm与VB的关系： b）VS与RL的关系 c) 最佳偏置条件的确定 二、光电导探测器三种特殊偏置方式及其特点分析 1.三种常用的偏置方式1）恒流偏置 当选RL Rs，探测器上的偏置电压与Rs无关，基本恒定。 3）恒功率偏置（匹配偏置） 此时，RL=Rs，探测器上的偏置功率： 2.三种偏置情况的比较 从可以获得的响应度来考虑，则恒流偏置优于匹配偏置，匹配偏置又优于恒压偏置。 由于恒流偏置通常需要较高的偏置电压源，在实用中可以采取匹配偏置而获得与恒流偏置相当的响应度。 2.三种偏置情况的比较 从放大器输出的信噪比考虑，在以上三种偏置状态的偏置电流相等的情况下： 当探侧器与放大器系统的噪声以探测器的非热噪声为主时，输出的S/N与偏置状态无关； 当系统以探测器的热噪声为主时，恒流偏置可以获得的S/N最大，匹配偏置次之，恒压偏置最小。 PV器件的回顾 1）零偏置或正向偏置：工作在伏安特性的第四象限，多用于输出功率。也可以用于探测。 2）反向偏置：工作在第三象限，多用于探测。 一.PV器件静态工作点的确定 直流负载线方程： 交流 负载线方程： 二、光伏探测器的等效电路 1.直流等效电路 工作在直流状态时流过探测器的电流ID： 光生电流Iph；暗电流Id（包括结电流Id1和结表面漏电流Id2） 光电流 结电流 漏电流 流过探测器的电流 2.交流等效电路 光子流速率微变引起的电流变化： 其中：交变光电流 动态电导 连接前放的交流等效电路 三.PV器件静态工作状态的设计 随时间缓慢变化的光信号其频谱分布处于低频段，通常延伸到零频。相应的探测电路多采用直流探测型或调制探测型。 对于直流探测型的输入电路，主要的设计工作是电路静态工作点的计算。 （一）反偏下光电二极管的偏置电路分析与计算 1.图解计算法 基本电路 TN线的确定：当I＝0时，V=Vb（N点）； V=0（T点） 由于串联回路中流过多元件的电流相等，负载线和它的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Φ0作±ΔΦ改变时，在负载电阻上会产生±ΔV电压输出和±ΔIQ的电流信号输出。 利用图解法可定性的求出电路参数RL和Vb对输出信号的影响。 同时，随Vb↑线性改善。但功耗加大，过大的Vb会引起PD反向击穿。在利用图解法确定输入电路的RL和Vb时，应根据输入光通量的变化范围和输出信号的幅度要求，使负载线稍高于转折M，并保证Vb不大于最高工作电压Vmax。 例：用2DU测缓变辐射通量。已知2DU的电流灵敏度 ，在测光范围中最大辐射通量100μW,伏安特性曲线的拐点电压VM=10V，若电源电压Vb=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Rbmax=? （2）辐射通量变化10μW时，输出电压的 变化量。 解：依题画出如下简图 折线化伏安特性可用下列参数确定： A.转折电压V0：对应曲线转折点处的电压值。 在输入光通量的变化范围Φmin—Φmax为已知条件下，用解析法计算输入电路的工作状态可按下列步骤进行。 1）确定线性工作区域 2）计算偏置电阻Rb、偏压Vb。 为保证最大线性输出条件，负载线和由Φmax对应的伏安曲线的交点不能低于M点。 G0V0=Gb(Vb-V0) 当Vb已知时，则 ： 3）计算输出电压幅度 4）计算输出电流幅度 由图可知： （二）光生电势型探测电路的静态计算 当 1.无偏置的光电池电路： 计算临界电阻RLS 线性区工作分两种情况： 1）电流放大：要求RL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ISC和Φ有良好的线性关系 非线性区:当RL RLS时，输入电路处于非线性区。这时，除在光电流较小范围内有一很窄的线性区外，V与Φ的对数成正比。对于较小的Φ，开始的信号电压输出幅度较大。这一点对于探测弱信号特别有利。