【正文】 1 第六章 光電檢測電路的設(shè)計 2 輸入電路的設(shè)計應(yīng)根據(jù)電信號的性質(zhì)、大小，光學(xué)的和器件的噪聲電平等初始條件以及輸出電平和通頻帶等技術(shù)要求來確定電路的連接形式和工作參數(shù)，保證光電器件和后級電路最佳的工作狀態(tài)，并最終使整個檢測電路滿足下列技術(shù)要求： 1）靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力：使給定的輸入光信號在允許的非線性失真條件下有最佳的信號傳輸系數(shù)，得到最大的功率、電壓或電流輸出。 2）快速的動態(tài)響應(yīng)能力：滿足信號通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘柕目焖夙憫?yīng)。 3）最佳的信號檢測能力：具有為可靠檢測所必需的信噪比或最小可檢測信號功率。 4）長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。 根據(jù)這些要求，檢測電路的設(shè)計通常包括的步驟為：電路靜態(tài)計算、電路動態(tài)計算和噪聲估算。 3 一、光電檢測電路的靜態(tài)設(shè)計 檢測電路的靜態(tài)設(shè)計包括 光電器件的選擇 和 輸入電路的靜態(tài)計算 。 本節(jié)內(nèi)容包括： 光電檢測器件的選擇要點； 恒流源型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算； 光伏型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算； 可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算； 檢測器件和放大電路的連接。 4 光電檢測器件的選擇要點 在以信息檢測和信號傳送為目的的光電系統(tǒng)中， 光電檢測器件的作用是將載有被測信息的光輻射能量變換為電能 ，并在實現(xiàn)這種變換的過程中完成信息的傳遞。 檢測器件是溝通光學(xué)和電子系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié)，它既是光路元件又是電路元件，有著光學(xué)和電子學(xué)的雙重屬性。作為光路元件，它是光信號接收器，是前級光學(xué)系統(tǒng)的輸出端口；作為電路元件，它是信號發(fā)生器，是后續(xù)電子系統(tǒng)的輸入端口。正是由于利用了光電檢測器件的雙重屬性，才建立了光路和電路的聯(lián)系，使彼此間得以連通。因此，光電檢測器件類型的選擇和工作狀態(tài)的確定對光電系統(tǒng)的工作品質(zhì)至關(guān)重要，是系統(tǒng)設(shè)計的一個重要問題。 5 為了提高傳輸效率，無畸變地變換光電信號，光電檢測器件不僅要和被測輻射源及光學(xué)系統(tǒng)，而且要和后續(xù)的電子系統(tǒng)在特性和工作參數(shù)上相匹配，使每個相互連接的器件都處于最佳的工作狀態(tài)。光電檢測器件和光路的匹配是在對輻射源和光路進(jìn)行光譜分析和能量計算的基礎(chǔ)上，通過合理選擇光路和器件的光學(xué)參數(shù)來實現(xiàn)的，這要涉及到工程光學(xué)的內(nèi)容。而光電檢測器件和電路的匹配則應(yīng)根據(jù)選定的光電檢測器件的參數(shù)，通過正確選擇和設(shè)計電路來完成。 6 光電檢測器件的選擇要點： 1）檢測器件和輻射源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配 光電系統(tǒng)中光載波信號的能量來源是輻射源或光源。它們可分作兩類，即自然光源和人造光源。輻射能量由光源經(jīng)測試目標(biāo)、傳輸介質(zhì)、接收光學(xué)系統(tǒng)被光電檢測器接收。為了提高有用光信號的能量利用，要求檢測器的光譜靈敏度分布和輻射源的光譜輻射度分布以及各傳輸環(huán)節(jié)的光譜透過率分布相覆蓋。實際上，在含有許多光譜分量的復(fù)合光通量Φ(λ )作用下、探測器的復(fù)合輸出 I(λ )是由單色輻射通量作用下的輸出值在整個光譜分布范圍內(nèi)的積分值確定的，即 —— 探測器對波長 λ 的電流靈敏度 ????0)()()( ???? dSI I)(?IS7 在輻射源和探測器之間存在選擇性衰減環(huán)節(jié)（如介質(zhì)傳輸、光學(xué)系統(tǒng)和濾光器）時探測器的有效輸出為 式中， Φo(λ )是由輻射源發(fā)出的復(fù)合光通量， 、 分別是傳輸介質(zhì)、光學(xué)系統(tǒng)和濾光器的透過率光譜分布。 因此，只有這些 衰減環(huán)節(jié)的光譜分布盡可能地相互覆蓋才可能最充分地利用入射通量 。 下頁中列出了典型光源和探測器光譜的對應(yīng)曲線 ????0)()()()()()( ?????????? dSI OfOaI)(??a )(??O)(??f8 典型光源和探測器光譜的對應(yīng)曲線 a) 相對光譜輻射亮度曲線 1太陽光 2日光燈 3GaP型 LED 4GaAsP型 LED 5雙波段 LED 6鎢絲燈 (2854K) 7GaAs型 LED b) 相對探測靈敏度曲線 1檢測型 Si光電二極管 2照相用 Si光電二極管 3平面型 Si光電池 4光電三極管 5臺面型光電二極管 6視見函數(shù) 7CdS光敏電阻 9 2）探測器的光電轉(zhuǎn)換特性和入射輻射能量的大小相匹配 根據(jù)光電系統(tǒng)輻射源的發(fā)光強(qiáng)度、傳輸介質(zhì)和目標(biāo)的傳輸及調(diào)制損耗、接收光學(xué)系統(tǒng)接收孔徑的限制及反射吸收等損失的影響，可以計算出入射到探測器光敏面上的實際輻射能量，通常它們是很微弱的，探測器的選擇應(yīng)充分利用這些有用的信號能量，為此要考慮： ①使探測器有足夠高的探測率 ，以確保獲得一定裕度的信噪比。 ②探測器有合適的靈敏度 S，以保證對應(yīng)于入射輻射通量的微小變化，有足夠幅度的電信號輸出。 ③使入射通量的變化中心處于探測器光電特性的線性范圍內(nèi)，以確保獲得良好的線性檢測。 *D10 典型光電檢測器件的探測率比較曲線 11 3）使檢測器件和光信號的調(diào)制形式、信號頻率及波形相匹配，以保證得到良好的時間響應(yīng)和沒有頻率失真的輸出波形。 為作到這一點，首先要選擇有良好的時間特性或頻率特性的光電器件，此外也取決于電路動態(tài)參數(shù)的選擇。 4）使檢測器件和輸入電路在電特性上匹配以得到良好的電信號輸出。 這包括：足夠的轉(zhuǎn)換系數(shù)和線性范圍、快速的動態(tài)響應(yīng)、良好的信噪比。 5）使檢測器件具有長期工作的可靠性和對工作環(huán)境的適應(yīng)能力。 為使器件工作可靠，需要使器件在額定條件下使用。這些條件包括額定功耗、工作電壓以及工作環(huán)境溫度等。器件的裝置空間、受光面積、電源設(shè)備、價格等在某些情況下甚至是選擇器件的主要考慮因素，需要根據(jù)待設(shè)計系統(tǒng)的要求和條件優(yōu)先選定。 12 幾種典型光電檢測器件特性參數(shù)的定性比較 13 恒流源型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算 光電檢測電路的設(shè)計任務(wù)是根據(jù)入射光信號的性質(zhì)和大小來選擇輸入電路形式，并估算電路工作狀態(tài)和器件參數(shù)，在保證信號不失真的情況下獲得最大的光電轉(zhuǎn)換能力，同時要使之和后級放大電路相匹配以利于信號的進(jìn)一步傳輸。 緩慢變化的光信號通常采用直流檢測電路。直流電路的計算重點在于確定電路的靜態(tài)工作狀態(tài)，由于光電檢測器件伏安特性的非線性，一般采用非線性電路的圖解法和分段線性化的解析法來計算。我們將根據(jù)器件伏安特性的性質(zhì)分作： 恒流源型 、 光伏型 和 可變電阻型 三種基本類型，并且以光電二極管為線索介紹它們在各種工作狀態(tài)下的電路計算方法。 14 恒流源型光電檢測器件的伏安特性是一組以輸入光照度 E或光通量 Φ為參量的曲線組。在工作電壓較小的范圍內(nèi)曲線呈彎曲的趨勢，并且有一轉(zhuǎn)折點 M。工作電壓加大后曲線逐漸平直。隨輸入光通量的改變，各曲線間逐漸近似平行，間距相等。這種隨器件端電壓增大輸出電流變化不大的性質(zhì)稱恒流源特性。 恒流源型光電檢測器件的伏安特性 a) 光電倍增管 b) 光電二極管 c) 光電三極管 15 圖解計算法 利用包含非線性元件的串聯(lián)電路的圖解法： 圖 a給出了在反向偏置電壓作用下光電二極管的基本輸入電路。圖中 Ub是反向偏置電壓，RL是負(fù)載電阻，與輸入光通量Φ成正比的電壓信號 Uo就是從RL的兩端輸出的。 Ub、 RL和光電二極管 V串聯(lián)連接。 bU 具有恒流源特性的光電檢測器件有 光電管，光電倍增管和工作于反向偏置電壓狀態(tài)下的光電二極管以及光電三極管等 。將圖中所示伏安特