【正文】 向偏置電路。有這種伏安特性的光電器件包括光電池和工作于光電池狀態(tài)下的光電二極管等。 m a x000 ??? SGUUG0U 0G)/( 0m a x0 GGSU ???0m a x0 / USGG ???0U 0G用解析法計算輸入電路 a) 確定線性區(qū) b) 計算輸出信號 23 2）計算負載電阻和偏置電壓 為保證最大線性輸出條件，負載線和與 Φmax對應(yīng)的伏安曲線的交點不能低于轉(zhuǎn)折點 M。 ??????? SGUIIUfI pd),(????????????? dsdUgdIdUUIdIUI?????I22 在輸入光通量變化范圍 Φmin～ Φmax為已知的條件下，用解析法計算輸入電路的工作狀態(tài)可按下列步驟進行。設(shè)輸入光功率為 P，對應(yīng)的光電流為 ，則有 S＝ /P 式中的光功率 P可以是光通量 Φ，也可以是光照度 E。 20 折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定： a）轉(zhuǎn)折電壓 ：對應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點 M處的電壓值。利用圖解法確定輸入電路的負載電阻 RL和反向偏壓 Ub值時，應(yīng)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(zhuǎn)折點 M，以便得到不失真的最大電壓輸出，同時保證 Umax不大于器件的最大工作電壓 b) 偏置電壓的影響 19 解析計算法 利用如圖所示的折線化伏安特性。但 RL的減小會受到最大工作電流和功耗的限制。例如在大信號檢測情況下可以定性地看到輸出信號的波形畸變。如圖 b，在伏安特性上劃出負載線 UbIRL，它是斜率為 1/RL，通過 U＝ Ub點的直線，與縱軸交于 Ub/RL點上。將圖中所示伏安特性和晶體三極管集電極特性相比較，其形狀類似，只是光電器件的光電流是由輸入光功率控制而晶體三極管是由基極電流控制。 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。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。 緩慢變化的光信號通常采用直流檢測電路。 為使器件工作可靠，需要使器件在額定條件下使用。 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。 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。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。光電檢測器件和光路的匹配是在對輻射源和光路進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。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。 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 。 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。 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。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。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。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。 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。 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。這些條件包括額定功耗、工作電壓以及工作環(huán)境溫度等。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。工作電壓加大后曲線逐漸平直。圖中 Ub是反向偏置電壓，RL是負載電阻，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。這表明，可以采用與晶體管放大器相類似的方法對恒流型光電器件進行分析和計算。由于串聯(lián)回路中流過各回路元件的電流相等，負載線和對應(yīng)于輸入光通量為 Φo時的器件伏安特性曲線的交點 Q即為輸入電路的靜態(tài)工作點。在用作光電開關(guān)的情況下可以借助圖解法合理地選擇電路參數(shù)使之能可靠的動作，同時保證不使器件超過其最大工作電流、最大工作電壓和最大耗散功率。為了提高輸出信號電壓應(yīng)增大 RL ，但過大的 RL會使負載線越過特性曲線的轉(zhuǎn)折點 M進入非線性區(qū)，而在這個范圍內(nèi)光電靈敏度 S=Δl/ΔΦ不再是常數(shù)，這會使輸出信號的波形發(fā)生畸變。它是實際非線性伏安特性的分段折線化，近似畫法視伏安特性形狀而異。 b）初始電導(dǎo) ：非線性區(qū)近似直線的初始斜率。光通量和照度之間的關(guān)系為 Φ＝ AE 式中， A—— 光敏面受光面積。 1）確定線性工作區(qū)域 由對應(yīng)最大輸入光通最 Φmax的伏安 曲線彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點 M。設(shè)負 載線通過 M點，此時由右圖 a中的圖示關(guān) 系可得 當(dāng)已知 時，可計算出負載電導(dǎo)（阻） （ ）為 當(dāng) ＝ 1/ 已知時，可計算偏置電源 電壓 為 000 )( UGGUU Lb ??LG LR)/( 000 UUUGG bL ???)(/)( 00m a x GGGGGSU LLb ????用解析法計算輸入電路 a) 確定線性區(qū) b) 計算輸出信號 bU]/)/1(/[ 0m a x0m a x GSGGUS b ?????LR LGbU24 3）計算輸出電壓幅度 由圖 b，當(dāng)輸入光通量由 Φmin變化到 Φmax時，輸出電壓幅度為 Δ U＝ Umax ，其中 Umax和 可 由圖中 M和 H點的電流值計算得到 在 H點： 在 M點： 解上二式得