光电信号检测电路.ppt

§4-3光电信号检测电路的动态计算v4.3.1 光电信号输入电路的动态计算在许多场合下，光电检测电路接收到的是随时 间变化的光信号，例如瞬变信号或各种形式的调制 光信号这类信号的 特点是信号微弱，需要多级放 大以及信号中包含着丰富的频率分量等与缓慢变 化光信号检测电路的静态计算不同，在分析和设计 交变光信号检测电路时，需要解决 下述几项动态计 算问题，即：v 1）确定检测电路的动态工作状态，使在交 变光信号作用下负载上能获得非线性失真最 小的电信号输出v 2）使检测电路具有足够宽的频率响应，以 能对复杂的瞬变光信号或周期性光信号进行 无频率失真的变换和传输v一、输入电路动态工作状态的计算 在交变光信号输入电路中，为提供检测器件的 正常工作条件首先要建立直流工作点另一方面输 入电路和后续电路通常是经阻容连接等多种方式耦 合的后续电路的等效输入阻抗将和输入电路的直 流负载电阻并联组成检测器的交流负载这是不同 于静态计算的主要区别之一现以光电二极管的两 种工作状态为例介绍它们的动态计算方法 1．光电二极管交流检测电路 v图a给出了反向偏置光电二极管交流检测电路 的基本形式 反向偏置光电二极管交流检测电路及计算 a) 检测电路 b) 图解法v首先确定在交流光信号作用下电路的最佳工作状态。

假定输入光照度为正弦变化，具有e＝E0＋Emsinωt 的形式，光照度的变化范围为E0±Em若在信号通频 带范围内，耦合电容Cc可认为是短路，则等效交流负 载电阻是Rb和RL的并联对应的交流负载线MN应该 通过特性曲线的转折点M，以便能充分利用器件的线 性区间，其斜率由Rb和RL的并联电阻决定交流负载 线与光照度E＝E0对应的伏安特性相交于Q点，该点 对应交变输入光照度的直流分量，是输入直流偏置电 路的静态工作点通过Q点作直流负载线可以图解得 到偏置电阻Rb和电源Ub的值 v下面来计算负载RL上的输出电压和输出功率值v 负载电阻上的输出电压峰值Um可利用图b中阴 影线三角形MHQ的数值关系计算若交流负载线 的斜率是GL+Gb，设交流负载总电流峰值为Im， 则有Um＝Im/(GL+Gb)v另一方面，在图中的线段MH上有电流关系 Im＝SEEm-gUm代入上式，有Um＝SEEm/(Gb+GL+g)v负载电阻RL上的输出功率PL为PL＝ILUm/2式中，IL＝Um/RL＝GLUm是负载RL上的电流峰值， 有v PL＝(GL/2)·[SEEm/(Gb+GL+g)]2v将PL对RL求偏微分计算最大功率输出下的负载电阻 RL0＝1/GL0，可得GL0＝Gb＋gv可得阻抗匹配条件下负载的输出电压峰值Umo、最 大输出功率有效值PLm和输出电流峰值Imo，为Umo＝SEEm/2GL0PLm＝(SEEm)2/8GL0＝GL0Umo2/2v最大功率输出条件的直流偏置电阻Rb0和电源电压Ub 可用解析法计算。

静态工作点Q的电流值由伏安特性 有IQ＝gUQ+SEE0v由负载线有IQ＝(Ub-UQ)Gbv求解上二式，有UQ＝(GbUb-SEE0)/(g＋Gb)v另一方面，在电压轴上工作点Q处的电压UQ为UQ＝Umo+UM＝SEEm/2(Gb+g)+UMv比较前二式可计算出Gb0或Rb0为Gb0＝[SE(Em+2E0)+2gUM]/2(Ub-UM)v类似地，若Rb0已知则可由上式计算Ub值2．光电池交流检测电路v图a是光电池交流检测电路图b是处于线性区域的工 作特性图解图中直流负载是通过原点，斜率为Gb的 直线 光电池交流检测电路及其图解计算 a) 检测电路 b) 图解法v当输入光照度为e＝E0＋Emsinωt时，光电池特性曲 线中对应于E＝E0的曲线与直流负载线相交于Q点， Q是静态工作点交流负载线通过Q点，斜率为Gb ＋GL，该负载线与最大输入光照度e＝E0＋Em对应 的光电池曲线相交于M点M点的电压UM应满足UM＝UQ+Um≤0.7Uoc 式中，Um是与正弦输入的光照度相对应的输出电压 峰值v 对于GL＝Gb＝GL0的最大功率输出条件下输出电压 、功率和电流有类似的形式偏置电阻的数值可计 算为Rb0＝RL0＝2UM/SE(2E0+Em)v二、光电检测电路的频率特性 v 光电器件自身的惯性和检测电路的耦合电容、 分布电容等非电阻性参数的存在使光电检测电路 需要一个过渡过程才能对快速变化的输入光信号 建立稳定的响应。

v 为了表征这种动态响应能力，通常采用两种 分析方法，即时域分析法和频域法前者以经典 的微分方程法为基础，通过求解微分方程得到输 出响应的时间表达式这种方法的全部计算都是 在时间范围内进行，可以获得有关过渡过程的直 观描述，但一般计算繁琐，缺乏明确的规律性以傅里叶变换为基础的频域分析法是基于下述的基 本出发点：1）多数情况下任何复杂的信号激励都可看成为若 干谐波信号的叠加2）对于确定的环节，描述它对不同谐波输入信号 的响应能力的频率特性是唯一确定的，是环节对 交变信号动态响应的表征3）多级检测系统可以用其组成单元的频率特性间 的简单计算得到系统的综合频率特性，有利于复 杂系统的综合分析v有关光电检测器件的频率响应已在相应各章节中介 绍v需要强调指出的是，在光电器件以各种耦合方式和 电路器件组成检测电路时，其综合动态特性不仅 与光电器件本身有关，而且主要取决于电路 的形式和阻容参数，需要进行合理的设计才 能充分发挥器件的固有性质，达到预期的动 态要求v工程上描述检测通道频率响应的参数是通道的通频 带ΔF，它是检测电路上限和下限截止频率所包括的 频率范围ΔF愈大，信号通过能力愈强。

v 本节将以器件等效电路为基础，介绍检测电路的 频率特性，并给出根据被测信号的技术要求设计检 测电路的实例v1．光电检测电路的高频特性v 除热释电探测器件外，大多数的光电、热电探测器件对 检测电路的影响突出地表现在对高频光信号响应的衰减上 因此，首先讨论光电检测电路的高频特性现以反向偏 置光电二极管交流检测电路为例，图中给出了该电路的微 变等效电路图反向偏置光电二极管检测电路微变等效电路图 这里忽略了耦合电容Cc的影响，因为对于高频信号Cc可以认 为是短路的v但光电二极管结电容Cj的作用必须考虑列出该电路的电路 方程为iL+ig+ij+ib = SEeig/g = ij/jωCj = iL/GL = ib/Gb = uLv式中，e=E0＋Emsinωt是输入光照度， iL是负载电流，ib是 偏置电流，ij是结电容电流，ig是光电二极管反向漏电流 式中各光、电量均是复数值v求解上二式可得uL＝ SEe/(g+GL+Gb+jωCj)和iL＝uL/RLv将uL改写成下列形式uL＝[SEe/(g+GL+Gb)]/[1+jω·Cj/(g+GL+Gb)]＝[SEe/(g+GL+Gb)]/(1+jωτ)v式中，τ＝Cj/(g+GL+Gb)称作检测电路的时间常数。

由 上式可见检测电路的频率特性不仅与光电二极管参数 Cj和g有关，而且取决于放大电路的参数GL和Gbv对应检测电路的不同工作状态，频率特性可有不同 的简化形式v 1）给定输入光照度，在负载上取最大功率输出时 ，要求满足RL＝Rb 和 g《Gbv此时uL＝(RL/2)·SEe/(1+jωτ)时间常数τ＝RLCj/2上限频率fHC＝1/2πτ＝1/πRLCjv2）电压放大时希望在负载上取得最大电压输出，要求满足RL》Rb（例如RL≥10Rb）且 g《Gbv此时uL＝SEeRb/(1+jωτ)时间常数τ＝RbCj上限频率fHC＝1/2πRbCjv 3）电流放大时希望在负载上取得最大电流，要求满足：RL《Rb 且 g很小v此时uL＝SEeRL/(1+jωτ)时间常数τ＝RLCj上限频率fHC＝1/2πRLCjv可见，为了从光电二极管中得到足够的信号功率和电压 ，负载电阻RL和Rb不能很小但过大的阻值又使高频 截止频率下降，降低了通频带宽度，因此负载的选择要 根据增益和带宽的要求综合考虑只有在电流放大的情 况下才允许RL取得很小并通过后级放大得到足够的信 号增益，因此，常常采用低输入阻抗高增益的电流放大 器使检测器工作在电流放大状态，以提高频率响应，而 放大器的高增益可在不改变信号通频带的前提下提高信 号的输出电压。

2．光电检测电路的综合频率特性v 前面的讨论为了强调说明负载 电阻对频率特性的影响，忽略了 线路中隔直电容和分布电容等的 影响，而这些参数是确定电路通 频带的重要因素下面介绍检测 电路的综合频率特性 v图中Cj是光电二极管的结电容， C0是电路的布线电容，Ci是放大 器的输入电容，Cc是级间耦合电 容输入电路的频率特性可写成光电二极管交流检测电路及其等效电路和对数频率特性 a) 检测电路 b) 等效电路 c) 对数频率特性vW(jω)＝UL(jω)/E(jω)＝KT0jω/(1+T1jω)(1+T2jω)式中v K＝SERgRb/(Rg+Rb)v当Rg》Rb时，有K＝SERbT1,2＝T(1± )T32＝T4T5＋T4T6＋T6T0T4＝Ci(RL∥Rb)＝Ci/(GL+Gb)T5＝Cc(Rb∥Rg)＝RbCcT6＝(C0+Cj)(Rb∥Rg)＝(C0+Cj)/(Gb+Gg)T0＝C0RL ；T＝T4＋T5＋T6 ＋ T0KT0≈SERbRLC0v输入电路的振幅频率特性|W(jω)|可表示成|W(jω)|＝KT0ω/ v将上式用对数表示时，可以得到对数频率特性20lg|W(jω)|＝20lgKT0ω-20lgT1ω-20lgT2ωv上式的图解表示在图c中，图中的虚线表示实际的对数特 性，折线是规整化的特性。

v由图中可以看到综合对数频率特性可分为三个频段：v （1）中频段（ω1＜ω＜ω2）此频段的中心频率为ω0 ,频段满足ωT1》l 和 ωT2《1，相应 的频率特性为WM(jω)＝KT0/T1＝常数v这表明在中频段范围内输入电路可看作是理想的比例环节 通常将ω1＝1/T1到ω2＝1/T2之间的频率区间称作电路的 通频带，它的传递系数为KT0/T1其中：KT0≈SERbRLC0T1,2＝T(1± )（2）高频段（ω＞ω2＝1/T2）v 在此频段内，频率特性可简化为WH(jω)＝(KT0/T1)/(1+jωT2)对应的对数频率特性曲线以-20dB/(10倍频)的斜率下降，在ω＝ ω2＝1/T2处曲线下降3dB，该频率称作高频或上限截止频率高 频衰减的物理原因是电路中各电容给出的容抗1/jωC0，1/jωCj和 1/jωCi随ω的增加而减少，电容分流作用的加大使输出信号变小 v （3）低频段（ω＜ω1＝1/T1）v 此频段内的频率特性可简化为WL(jω)＝jKT0ω/(1+jωT1)相应的对数频率特性曲线以20dB/(10倍频)的斜率上升，在ω＝ ω1＝1/T1处曲线转平，曲线数值比中频段下降3dB，ω1称作低频 或下限截止频率，这是检测电路可能检测的低频信号的极限。

频 率特性的低频衰减主要是因为串联耦合电容Cc的容抗1/jωCc随 ω的减少而增大，信号在电容上压降的提高使输出信号变小的缘 故3.光电检测电路频率特性电路的设计v光电检测电路设计的要求是在保证所需检测灵敏度 的前提下，获得最好的线性不失真和频率不失真v前者是静态设计解决的基本内容，后者是检测电路 频率特性设计需要解决的问题v通常快速变化的信号可以看作是不同谐波分量的叠 加信号的频率失真会使某些谐波分量的幅度和相 位发生变化导致合成波形的畸变v因此为了避免失真，保真信号的全部频率分量不产 生非均匀的幅度衰减和附加相位的变化，检测电路 的通频带应以足够的宽裕度覆盖住光信号的频谱分 布检测电路的频率设计大致包括以。