光电检测电路的设计演示文稿.pptVIP

其中上图a是光伏器件直接和负载电阻连接的电路，称作无偏置电路。在图b的电路中，负载电阻上除串联光伏器件外尚有与器件端电压相反方向的偏置电源，组成反向偏置电路。图c是作为能源变换器使用的太阳能电池充电电路。通常光电池多采用上图a和c的电路，光电二极管多采用上图b的电路。 本文档共80页；当前第28页；编辑于星期三\20点59分 利用图解计算法，对给定的输入光通量 ，只要选定负载电阻RL ，工作点Q即可由负载线与光电池伏安曲线的交点确定。该点处的电流电压值IQ与UQ即为RL上的输出值。相对 的光通量增量±ΔΦ将形成对应的电流变化±ΔI和电压变化±ΔU。 上图给出了无偏置光电池输入电路的等效电路（图a）及其计算图解（图b）。对图a的回路建立电路方程，有 I=Ip+Id 和 下面以光电池为例介绍无偏置电路的静态计算方法。 本文档共80页；当前第29页；编辑于星期三\20点59分 由于光电池特性的非线性，负载电阻的选择会影响光电池的输出信号。例如在上图a中，对应光通量的增量ΔΦ＝Φ1-Φ2，在短路状态下（RL＝0），输出电流增量ΔI＝ISC1-ISC2，输出电压为零。随着RL的增大，电流逐渐变小，输出电压随之增大，直到某一临界电阻RL之后负载上的电压变得饱合（见上图b）。 本文档共80页；当前第30页；编辑于星期三\20点59分 ???根据上述公式，在同一入射光通量下，负载电阻对光电池输出电压、电流、功率的影响曲线表示在上图b中。 另一方面，输入光通量也影响输入电路的工作状态。由图中可以看出，对确定的负载电阻如RL，当输入光通量较小时负载上的输出电流和电压近似地随入射光通量成正比例增加，而当入射光通量较大时输出电流和电压逐渐呈现饱合状态。负载电阻愈大情况愈明显（如图a中R2的情况）。 可以定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态（I、U、P）的影响： 本文档共80页；当前第31页；编辑于星期三\20点59分 1）短路或线性电流放大 ??? 这是一种电流变换状态，在这种状态下，后续电流放大级作为负载从光电池中取得最大的输出电流。为此要求负载电阻或后续放大器输入阻抗尽可能小。由上图a中可看到由于RL很小，输出电流接近于短路电流，它与入射光通量有良好的线性关系，即 ??? 由图b可见，根据选用负载电阻的数值可以把光电池的工作状态分作：短路或线性电流放大、空载电压输出、线性电压放大和功率放大四个区域，分别由图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示。下面讨论前三种工作状态 本文档共80页；当前第32页；编辑于星期三\20点59分 此外，在短路状态下器件噪声电流较低，信噪比改善，所以最适用于弱光信号的检测。 短路电流随受光面积的大小而改变，同一片光电池的短路电流或低阻负载时的负载电流与受光面积的变化曲线表示在下图中，图中A为受光面积。 短路电流和开路电压随受光面积的变化曲线 本文档共80页；当前第33页；编辑于星期三\20点59分 2）空载电压输出 ??? 这是一种非线性电压变换状态。此时光电池应通过高输入阻抗变换器与前级放大电路连接，相当于输出开路。开路电压可写成 ??? 上式表明开路电压与入射光通量的对数成正比。并且由于Ip与光电池面积成正比，所以同一光电池的开路电压与光电池面积的对数成正比，如上图所示。 已知在给定入射光功率（光照度E或光通量Φ）下的开路电压Uoc，可以求出另一个入射光功率（光照度E′或光通量Φ′）下的开路电压Uoc′。由上式，有 本文档共80页；当前第34页；编辑于星期三\20点59分 联立求解上二式，有 ??所以 通常光电池的开路电压为0.45～0.6V，在入射光强从零到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中简单地利用Uoc的电压变化不需加任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的优点。此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利。这种使用方式的频率特性不好，受温度影响也较大，这是它的不足之处。 本文档共80页；当前第35页；编辑于星期三\20点59分 3）线性电压输出 ??? 由图负载电阻对光电池输出电压电流和功率的影响中b的Ⅲ区域可见，这种工作状态在串联负载电阻上能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。为了确定负载电阻的临界条件，可利用式 ??? 显然，在 很大时式中的指数项不能忽略。将上式展开成幂级数，忽略高阶项，上式可简化为 I≈SΦ 上式要