光電探測器偏置電路第一頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.2 光電探測器的偏置電路偏置：在探測器上加一定的偏流和偏壓使探測器能在電狀態(tài)正常工作，輸出光電信號。目的：取出光電信號。偏置電路的設計依據(jù)：器件的伏安特性同晶體管加電源和偏置電路選取適當工作點的情況類似。第二頁，共五十六頁，2022年，8月28日光電導探測器（PC）的偏置電路光伏探測器（PV）的偏置電路主要內(nèi)容第三頁，共五十六頁，2022年，8月28日探測器的伏安特性分三種類型：可變電阻型光生電勢型

恒流型PC器件電阻型熱探測器（加偏置，不分正負）

PV器件，PMT（加反向偏置）

光電池（不加偏置）

第四頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.2.1光電導探測器的偏置一、基本偏置電路分析偏置電流：設光照射在探測器上，其電阻值變化為ΔRS，則電流變化即信號電流iS為：RS:光敏電阻；RL：偏置電阻第五頁，共五十六頁，2022年，8月28日輸出點A的直流電壓：信號電壓為：分析：a)VS與VB的關系

VB↑→VS↑

但太大,功耗Pm↑——損壞器件

第六頁，共五十六頁，2022年，8月28日例：化學沉淀PbS最大功耗Pm為0.2瓦每平方厘米,使用時要低于比值，取0.1瓦每平方厘米推導最大功耗Pm與VB的關系：Ad:探測器光敏面積,平方厘米，RL，RS為電阻單位，VBmax為V單位第七頁，共五十六頁，2022年，8月28日b）VS與RL的關系令上式=0則時，有極大值：這時叫功率匹配,信號電壓最大。第八頁，共五十六頁，2022年，8月28日c)最佳偏置條件的確定

在偏置電流Il一定條件下,由上式可知：Rl↑→Vs↑。但實際上當負載電阻RL↑時,為保持固定的Il,應該VB↑第九頁，共五十六頁，2022年，8月28日二、光電導探測器三種特殊偏置方式及其特點分析1.三種常用的偏置方式

1）恒流偏置當選定RL>>Rs

，則與Rs無關。即在工作過程中流過探測器的電流是一恒定電流。第十頁，共五十六頁，2022年，8月28日第十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日當選RL<<Rs，探測器上的偏置電壓與Rs無關，基本恒定。2）恒壓偏置流過探測器上的偏流不恒定,隨Rs變化。第十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日第十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日3）恒功率偏置（匹配偏置）此時，RL=Rs，探測器上的偏置功率： 與上兩種偏置比較，當Rs變化時探測器上的偏置功率的變化最小。實際上,往往選Rs的平均值，而該偏置功率變化不大，故命名為恒功率偏置。第十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日2.三種偏置情況的比較從可以獲得的響應度來考慮，則恒流偏置優(yōu)于匹配偏置，匹配偏置又優(yōu)于恒壓偏置。由于恒流偏置通常需要較高的偏置電壓源，在實用中可以采取匹配偏置而獲得與恒流偏置相當?shù)捻憫?。第十五頁，共五十六頁?022年，8月28日2.三種偏置情況的比較從放大器輸出的信噪比考慮，在以上三種偏置狀態(tài)的偏置電流相等的情況下：當探側器與放大器系統(tǒng)的噪聲以探測器的非熱噪聲為主時，輸出的S/N與偏置狀態(tài)無關；當系統(tǒng)以探測器的熱噪聲為主時，恒流偏置可以獲得的S/N最大，匹配偏置次之，恒壓偏置最小。第十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.2.2光伏探測器的偏置一、PV器件靜態(tài)工作點的確定二、光伏探測器的等效電路三、PV器件靜態(tài)工作狀態(tài)的設計反偏下光電二極管的偏置電路分析與計算光生電勢型探測電路的靜態(tài)計算四、PV器件動態(tài)工作狀態(tài)設計光電二極管交流探測電路光電池交流檢測電路第十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日PV器件的回顧1）零偏置或正向偏置：工作在伏安特性的第四象限，多用于輸出功率。也可以用于探測。2）反向偏置：工作在第三象限，多用于探測。PV器件零偏置時1/f噪聲最小，可以獲得較高的S/N。第十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日一.PV器件靜態(tài)工作點的確定直流負載線方程：交流

負載線方程：第十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日二、光伏探測器的等效電路1.直流等效電路工作在直流狀態(tài)時流過探測器的電流ID：光生電流Iph；暗電流Id（包括結電流Id1和結表面漏電流Id2）第二十頁，共五十六頁，2022年，8月28日光電流結電流漏電流流過探測器的電流第二十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日2.交流等效電路光子流速率微變引起的電流變化：其中：交變光電流動態(tài)電導第二十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日連接前放的交流等效電路第二十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日隨時間緩慢變化的光信號其頻譜分布處于低頻段，通常延伸到零頻。相應的探測電路多采用直流探測型或調(diào)制探測型。對于直流探測型的輸入電路，主要的設計工作是電路靜態(tài)工作點的計算。

三.PV器件靜態(tài)工作狀態(tài)的設計第二十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日（一）反偏下光電二極管的偏置電路分析與計算

1.圖解計算法

基本電路PDbVbRV第二十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日TN線的確定：當I＝0時，V=Vb（N點）；V=0（T點）連接NT，稱為負載線，因為它與電壓軸的夾角決定了負載電阻RL

。第二十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日由于串聯(lián)回路中流過多元件的電流相等，負載線和它的伏安特性曲線的交點Q即為輸入電路的靜態(tài)工作點。當輸入光通量由Φ0作±ΔΦ改變時，在負載電阻上會產(chǎn)生±ΔV電壓輸出和±ΔIQ的電流信號輸出。第二十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日利用圖解法可定性的求出電路參數(shù)RL和Vb對輸出信號的影響。

由圖可知:隨Rb增大，信號電壓變大，超過M點產(chǎn)生畸變。M

第二十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日同時，隨Vb↑線性改善。但功耗加大，過大的Vb會引起PD反向擊穿。在利用圖解法確定輸入電路的RL和Vb時，應根據(jù)輸入光通量的變化范圍和輸出信號的幅度要求，使負載線稍高于轉折M，并保證Vb不大于最高工作電壓Vmax。第二十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日例：用2DU測緩變輻射通量。已知2DU的電流靈敏度，在測光范圍中最大輻射通量100μW,伏安特性曲線的拐點電壓VM=10V，若電源電壓Vb=15V。

要求負載線建立在線性區(qū)內(nèi)。求：（1）保證輸出電壓最大時的Rbmax=? （2）輻射通量變化10μW時，輸出電壓的變化量。

第三十頁，共五十六頁，2022年，8月28日解：依題畫出如下簡圖

(1)為保證2DU工作于線性區(qū)且Rb最大，過拐點作負載線，則:(2)輸出電壓:第三十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日

折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：

A.轉折電壓V0：對應曲線轉折點處的電壓值。B.初始電導G0：相當于非線性部分直線的初始斜率。C.結間漏電導G：是線性工作區(qū)間內(nèi)個平行直線的平均斜率。D.光電靈敏度

S2.解析法第三十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日在輸入光通量的變化范圍Φmin—Φmax為已知條件下，用解析法計算輸入電路的工作狀態(tài)可按下列步驟進行。1）確定線性工作區(qū)域由轉折點M確定線性工作區(qū)域，相應的轉折電壓或初始電導值G0中的幾何關系決定。在MV0上有即第三十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日2）計算偏置電阻Rb、偏壓Vb。為保證最大線性輸出條件，負載線和由Φmax對應的伏安曲線的交點不能低于M點。

G0V0=Gb(Vb-V0)設負載線拐點M點，由圖可得第三十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日當Vb已知時，則：當Rb已知時，有第三十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日3）計算輸出電壓幅度

由圖可知：在ΔΦ時，其中Vmax和V0可由圖中M和H點的電流值計算得到。

由H點：由M點：上式表明輸出電壓幅度與ΔΦ、S成正比，與結間漏電導G和G0成反比。第三十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日4）計算輸出電流幅度由圖可知：

通常Gb>>G，上式簡化為ΔI=SΔΦ5）計算輸出功率

第三十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日（二）光生電勢型探測電路的靜態(tài)計算

Id：與溫度有關的二極管結電流

光電流開路電壓電流－電壓特性方程短路電流第三十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日當有則：得：室溫時T=300K，則：利用上式，可在已知Φ、Voc時，計算另一Φˊ下的Vocˊ第三十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日1.無偏置的光電池電路：

由伏安曲線，對于給定的Φ0，只要選定RL，工作點就能由負載線與光電池相應伏安曲線的交點決定。該點的IQ和VQ即為RL上的輸出值。由圖知：對應相同的ΔΦ=Φ1―Φ2，當RL<RLS（臨界電阻）時，IQ、VQ與ΔΦ呈線性；當RL>RLS時，呈非線性，在檢測電路中往往希望線性。第四十頁，共五十六頁，2022年，8月28日計算臨界電阻RLS由給定的Φmax，利用算出VOC。取交于S點，得到臨界負載RLS,即臨界電阻RLS上的Vmax為則:第四十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日線性區(qū)工作分兩種情況：1）電流放大：要求RL與后級放大器的輸入阻抗盡量小，使負載線靠近電流軸以得到最大的電流輸出。輸出電流變?yōu)镮SC和Φ有良好的線性關系2）電壓放大：在保持良好線性情況下，有最大的電壓輸出，負載線可接近臨界負載線，則輸出電壓為:第四十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日非線性區(qū):當RL>RLS時，輸入電路處于非線性區(qū)。這時，除在光電流較小范圍內(nèi)有一很窄的線性區(qū)外，V與Φ的對數(shù)成正比。對于較小的Φ，開始的信號電壓輸出幅度較大。這一點對于探測弱信號特別有利。第四十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日例:光電池在光照度為100lx時，開路電壓為VOC=180mV,ISC=80μA，求在由50lx增加到200lx時，為保證線性輸出所需最佳負載電阻值和輸出電壓變化量。解：（1）計算200lx下的開路電壓

（2）計算線性區(qū)域內(nèi)光電池的電流響應度

（3）計算無偏壓時最佳電阻和輸出電壓變化量

第四十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日四、PV器件動態(tài)工作狀態(tài)設計交變光信號是指快速變化或各類型調(diào)制光信號。在分析和設計交變光信號探測電路時應考慮到下述幾個問題：1.確定探測電路動態(tài)工作點。2.確定光信號頻率不失真的動態(tài)響應。3.滿足信號頻率要求下的信噪比。

第四十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日輸入電路動態(tài)工作點的計算交變電路中首先建立直流工作點以獲得最大的輸出。另一方面輸入電路與后續(xù)電路通常由阻容連接等多種方式實現(xiàn)耦合。后續(xù)電路的等效輸入阻抗將和輸入的直流負載電阻相并聯(lián)組成交流負載。在設計和分析輸入電路時，這是不同于前述靜態(tài)工作點計算的主要區(qū)別之一。

第四十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日1.光電二極管交流探測電路如圖為反偏壓PD的交變光探測基本電路。1）計算在已知偏壓Vb和光照度E時，負載電阻RL應取多大才能獲得最大功率和線性電壓輸出。設入射照度變化：光照度變化范圍:在信號頻帶范圍內(nèi)，耦合電容C可以認為是短路。等效交流負載電阻：第四十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日假定交流負載線為MN，它過M點，斜率由RL//Rb決定。交流負載線與光照度E=E0對應的伏安特性相交于Q點，則過Q點的斜率為–Gb的直線即為直流負載線。為了充分利用器件的線性區(qū)間，對應的負載線應通過特性曲線的轉折點M。第四十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日2）計算RL上的輸出功率PL和電壓值Vm交流負載上的輸出功率為:Vm

、Im與Em對應的幅值負載電阻RL上輸出功