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1、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。,光电导探测器（PC）的偏置电路光伏探测器（PV）的偏置电路热释电器件的偏置电路光电倍增管的偏置电路,主要内容,探测器的伏安特性分三种类型：,可变电阻型,光生电势型,恒流型,PC器件电阻型热探测器（加偏置，不分正负）,PV器
2、件，PMT（加反向偏置）,光电池（不加偏置）,4.2.1 光电导探测器的偏置,一、基本偏置电路分析,偏置电流：,设光照射在探测器上，其电阻值变化为RS，则电流变化即信号电流iS为：,RS:光敏电阻；RL：偏置电阻,输出点A的直流电压：,信号电压为：,分析：a)VS与VB的关系 VBVS 但太大,功耗Pm损坏器件,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：,Ad:探测器光敏面积,平方厘米，RL，RS为电阻单位，VBmax为V单位,b）VS与RL的关系,令上式=0则 时，有极大值：,这时叫功率匹配,信号电压最大。,c)最
3、佳偏置条件的确定,在偏置电流Il一定条件下,由上式可知：RlVs。但实际上当负载电阻RL时,为保持固定的Il,应该VB,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,当选定RLRs，则,与Rs无关。,即在工作过程中流过探测器的电流是一恒定电流。,当选RL Rs，探测器上的偏置电压与Rs无关，基本恒定。,2）恒压偏置,流过探测器上的偏流不恒定,随Rs变化。,3）恒功率偏置（匹配偏置）,此时，RL=Rs，探测器上的偏置功率：,与上两种偏置比较，当Rs变化时探测器上的偏置功率的变化最小。实际上,往往选Rs的平均值，而该偏置功率变化不大，故命名为恒功率偏置。,2.三
4、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,如果从放大器输出的信噪比考虑，那么，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。,2.三种偏置情况的比较,由于探测器都应尽可能工作于最佳偏置范围以内，而对于高暗阻值的光电导探测器，在最佳偏置范围内采取恒流偏置一般需要较高的偏
5、置电压，如果在高偏置电压源不易获得的情况下追求“恒流”偏置而采取较小的偏置电流，则会脱离最佳偏置区域而使S/N下降。在这种情况下，采用具有较高偏流(使之处于最佳偏置范围)的非恒流偏置可能会更好。,三、偏置电路的实现,1.恒压偏置的实现分压电路的恒压偏置，如p276，图4.13利用晶体管的恒压偏置，如p276，图4.14利用固定晶体管基极电位，从而使发射极电位也固定的特性，将探测器接入晶体管的发射极电路中达到恒压偏置的目的。,三、偏置电路的实现,2.恒流偏置的实现分压电路的恒流偏置，如p276，图4.11利用晶体管的恒流偏置，如p276，图4.12若光电导探测器的暗阻Rd较大，而最佳偏置电流亦较
6、大，则恒流偏置需要的侗置电压较高。当提供高压偏置电压源不方便时，可采取利用品体管的有源恒流偏置电路。通过利用晶体管在线性工作区时集-射极等效交流电阻很大(可将其视为RL)，近似恒流源的特性来实现恒流偏置的。它适用于晶体管集射极等效交流电阻远大于Rd的情况。,三、偏置电路的实现,3.匹配偏置的实现分压电路的恒流偏置，如p275，图4.10,三、偏置电路的实现,4.交流偏置当利用微弱信号检测技术(例如用钡定放大器)来测量恒定的或缓变的光辐射信号时，为了取得同步的参考信号，可以对光电与探测器加交流偏置。,4.2.2 光伏探测器（PV）的偏置,一.PV器件静态工作状态的设计,反偏下光电二极管的偏置电路
7、分析与计算,光生电势型探测电路的静态计算,二、PV器件动态工作状态设计,光电二极管交流探测电路,光电池交流检测电路,4.2.2 PV探测器的偏置,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。,PV器件零偏置时1/f噪声最小，可以获得较高的S/N。,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
8、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,若前放采用电压放大器，要尽量提高前放输入的光生电压，则要求光伏探测器的光生电流大(即探测器的电流响应度高)，动态电阻，表面漏电阻，负载电阻，放大器的输入电阻要大。若前放采用电流放大器，要得到大的输入信号电流，则除了要求探测器电流响应度高以外，还必须要求前放的输入阻抗小，探测器的动态电阻，及表面漏电阻和负载电阻均很大。这时，可将负载开路。如果要求得到高的S/N，则要求动态电阻，及表面漏电阻和负载电阻均很大。应远大于放大器最佳源电阻。,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
9、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。,三.PV器件静态工作状态的设计,（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I0时，V=Vb（N点）；V=0,（T点）,连接NT，称为负载线，因为它与电压轴的夹角决定了负载电阻RL。,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0作改变时，在负载电阻上会产生V电压输出和IQ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。,由图可知:随Rb增大，信号电压变大，超过M点产生
10、畸变。,M,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100W,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10W时，输出电压的 变化量。,解：依题画出如下简图,(1)为保证2DU工作于线性区且Rb最大，过拐点作负载线，则:,(2)输出电压:,折线
11、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。,B.初始电导G0：相当于非线性部分直线的初始斜率。C.结间漏电导G：是线性工作区间内个平行直线的平均斜率。D.光电灵敏度 S,2.解析法,在输入光通量的变化范围minmax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,由转折点M确定线性工作区域，相应的转折电压或初始电导值G0中的几何关系决定。在MV0上有即,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max对应的伏安曲线的交点不能低于M点。G0V0=Gb(Vb-V0),设负载线拐点M点，由图可得,当Vb已知时，
12、则：,或：,当Rb已知时，有,3）计算输出电压幅度,由图可知：在时，,其中Vmax和V0可由图中M和H点的电流值计算得到。,由H点：,由M点：,上式表明输出电压幅度与、S成正比，与结间漏电导G和G0成反比。,4）计算输出电流幅度由图可知：,通常Gb G，上式简化为I=S,5）计算输出功率,（二）光生电势型探测电路的静态计算,Id：与温度有关的二极管结电流,光电流,开路电压,电流电压特性方程,短路电流,当,有,则：,得：,室温时 T=300K，则：,利用上式，可在已知、Voc时，计算另一 下的 Voc,1.无偏置的光电池电路：,由伏安曲线，对于给定的0，只要选定RL，工作点就能由负载线与光电池相
13、应伏安曲线的交点决定。该点的IQ和VQ即为RL上的输出值。由图知：对应相同的=12，当RL RLS时，呈非线性，在检测电路中往往希望线性。,计算临界电阻RLS,由给定的max，利用算出VOC。,取,交于S点，得到临界负载RLS,即临界电阻RLS上的Vmax为,则:,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和有良好的线性关系,2）电压放大：在保持良好线性情况下，有最大的电压输出，负载线可接近临界负载线，则输出电压为:,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
14、性区外，V与的对数成正比。对于较小的，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。,例:光电池在光照度为100lx时，开路电压为VOC=180mV,ISC=80A，求在由50lx增加到200lx时，为保证线性输出所需最佳负载电阻值和输出电压变化量。,解：（1）计算200lx下的开路电压,（2）计算线性区域内光电池的电流响应度,（3）计算无偏压时最佳电阻和输出电压变化量,四、PV器件动态工作状态设计交变光信号是指快速变化或各类型调制光信号。在分析和设计交变光信号探测电路时应考虑到下述几个问题：1.确定探测电路动态工作点。2.确定光信号频率不失真的动态响应。3.满足信号频率要求下的信
15、噪比。,输入电路动态工作点的计算交变电路中首先建立直流工作点以获得最大的输出。另一方面输入电路与后续电路通常由阻容连接等多种方式实现耦合。后续电路的等效输入阻抗将和输入的直流负载电阻相并联组成交流负载。在设计和分析输入电路时，这是不同于前述静态工作点计算的主要区别之一。,1.光电二极管交流探测电路如图为反偏压PD的交变光探测基本电路。,1）计算在已知偏压Vb和光照度E时，负载电阻RL应取多大才能获得最大功率和线性电压输出。,设入射照度变化：,光照度变化范围:,在信号同频带范围内，耦合电容C可以认为是短路。,等效交流负载电阻：,假定交流负载线为MN，它过M点，斜率由RL/Rb决定。交流负载线与光
16、照度E=E0对应的伏安特性相交于Q点，则过Q点的斜率为Gb的直线即为直流负载线。,为了充分利用器件的线性区间，对应的负载线应通过特性曲线的转折点M。,2）计算RL上的输出功率PL和电压值Vm,交流负载上的输出功率为:,Vm、Im与Em对应的幅值,负载电阻RL上输出功率,Vm是RL上的电压值。,在MHQ中，交流负载线斜率为：,由图中几何关系得:,得:,将PL对GL求偏微分，得最大功率输出条件为:,则有：,当已知电源电压Vb时，根据动态工作点和静态工作点重合于Q点的条件，可计算出最大功率输出条件下偏置电阻Rb。,中：,且,比较可得：,在最大功率输出条件下，根据图中几何关系有,比较两式得，在最大功率
17、输出下的偏置电阻值,或,2.光电池交流检测电路,静态工作点：,通过原点作直流负载线与E=E0交点Q,交流负载线:过Q点，斜率为:,与最大输入光功率E0+Em 对应的光电池曲线相交于M点。,M点的电压VM应满足:,Vm是与正弦输入光照度对应的输出电压峰值.,由图可知:,输出负载RL上的功率值PL为:,将PL对GL求微分，可得最大功率输出条件：,得最大功率输出时:,由静态工作点Q的状态，可计算最大功率输出下的偏置电阻Rb。,在Q点处有：,在最大功率输出条件下由（5）式有：,而,得,或,例.硅光电池2CR31。在100lx光照下 VOC=400mV,ISC=30A,若输入光照度,求：最大功率线性输出
18、时,画出等效电路：,解：计算VM,最大照度：,计算直流偏置电阻Rb,计算输出电信号：,热释电器件实用电路,热释电探测器工作时不需外加偏置电压。将热释电探测器两端接上负载电阻，让热释电电流(属于位移电流的性质)流过负载电阻，即可取出信号。热释电探测器可视为一个容性元件，其电阻Rd约为1013，其电容视热释电材料的电容率而定，通常为数十皮法。对于这种高阻的容性元件，其负载电阻值必须很大才能与探测器的内阻相匹配。因此，从负载电阻上取出的信号必须经阻抗变换后再耦合至通常的放大电路。,阻抗变常用具有极高输入阻抗的场效应管源极输出器来实观。还可以用集成运算放大器组成的电流电压变换电路来获得光电信号电压，当
19、然所用的集成运算放大器应具有很高的输入电阻，可采用输入级为场效应管的集成运放。,热释电探测器产生的信号电流直接流经Rf转换成信号电压输出，电容C用来限制电路的带宽，提高输出的信噪比。目前，制造厂商出售的热择电探测器通常都与场效应管阻抗变换器封装在一起，性能稳定可靠，使用非常方便。,光电倍增管偏置电路,光电倍增管的产品说明书上一般都标明电阻分压链中各电阻的具体数值，或者给出各分压电阻阻值间的倍数关系。分压电阻链的设计原则1.适当增大第一倍增级的增益，即使阴极与第一倍增极之间的电压适当高一些。2.中间倍增级的极间电压可根据总增益的要求来选取，一般采用均匀分压的方式，即中间各倍增级的分压电阻阻值相等。,3.在电流信号较大时，可能在最后两个倍增级之间由于空间电荷的影响而产生饱和的现象。这时，应适当加大最后两级或最后三级的极间电压，以避免空间电荷的影响。4.末级倍增极与阳极之间的电压选择应注意不要由于阳极负载的压降而影响阳极收集电子的能力。在弱光探测时，为了提高灵敏度，有时使最后一个电阻的阻值取得小一些(例如取为其它分压电阻阻值的一半)。5.在脉冲大电流(100mA以上)运用时，最后几个倍增极的脉冲电流很大，相应的分压电阻上的压降在脉冲期间将产生明显的突变而影响极间电位的分布。这时，常常需要在最后三级的分压电阻上并联储能电容。,
