【正文】 所以 上式表明輸出電壓幅度與輸入光通量的增量和光電靈敏度成正 比，與結(jié)間漏電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)成反比。 光伏型光電器件的伏安特性和等效電路 27 光電池的輸出電流可改寫成如下形式 式中 ＝ kT/q≈26mV （ T＝ 300K）， Ip＝ SE 在使伏安特性倒轉(zhuǎn)到第一象限的情況下，伏安特性可表示為 或 相應(yīng)的等效電路表示在上圖 b中。圖 c是作為能源變換器使用的太陽能電池充電電路。相對 的光通量增量 177。 上圖給出了無偏置光電池輸入電路的等效電路（圖 a）及其計算圖解（圖 b）。隨著 RL的增大，電流逐漸變小，輸出電壓隨之增大，直到某一臨界電阻 RL之后負(fù)載上的電壓變得飽合（見上圖 b）。負(fù)載電阻愈大情況愈明顯（如圖 a中 R2的情況）。下面討論前三種工作狀態(tài) 33 此外，在短路狀態(tài)下器件噪聲電流較低，信噪比改善，所以最適用于弱光信號的檢測。開路電壓可寫成 上式表明開路電壓與入射光通量的對數(shù)成正比。ln39。這種使用方式的頻率特性不好，受溫度影響也較大，這是它的不足之處。 ppTocpTpTococ IIUUIUIUUU ?????)/39。增大負(fù)載電阻有助于提高電壓，但卻引起輸出信號的非線性畸變。 )1( /0 ??? TL UIRp eIIILRTL URI /0負(fù)載電阻對光電池輸出電壓電流和功率的影響 0ITL UIR /37 在線性關(guān)系要求不高的情況下，可以利用圖解法簡單地得到臨界電阻 Rs值。 阻值隨溫度改變的熱敏電阻也屬可變電阻型器件，其電阻值表達(dá)式為 式中， 為溫度 T時的電阻， 為溫度 T=0時的電阻， α 為電阻溫度系數(shù)， T為溫度。下面討論兩種典型的工作狀態(tài)。此外可以證明恒流偏置的電壓信噪比較高，因此適用于高靈敏度測量，這是它的優(yōu)點。這種光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱作恒壓偏置。 ???? Lb RSUULR LRLURU bU42 二、 光電檢測電路的動態(tài)設(shè)計 在許多場合下，光電檢測電路接收到的是隨時間變化的光信號，例如瞬變信號或各種形式的調(diào)制光信號。 43 輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計算 在交變光信號輸入電路中，為提供檢測器件的正常工作條件首先要建立直流工作點。現(xiàn)以光電二極管的兩種工作狀態(tài)為例介紹它們的動態(tài)計算方法。若在信號通頻帶范圍內(nèi)，耦合電容 Cc可認(rèn)為是短路，則等效交流負(fù)載電阻是 和 的并聯(lián)。 tEEe m ?s i n0 ??反向偏置光電二極管交流檢測電路及計算 a) 檢測電路 b) 圖解法 mEE ?0bR LRLRbR0EbR bU45 下面來計算負(fù)載 上的輸出電壓和輸出功率值。 MbmEmmQ UGgESUUU ????? )(2/0QU0bG 0bR)(2/]2)2([ 00 MbMmEb UUgUEESG ????0bR bU48 三、光電檢測電路的噪聲估算 實際的光電檢測電路存在有各種 外部擾動 和 內(nèi)部噪聲 。這些內(nèi)部噪聲是隨機(jī)起伏的，覆蓋在很寬的頻譜范圍內(nèi)，它們和有用信號同時存在，相互混淆，限制了檢測系統(tǒng)分辨率的提高。噪聲電壓均方值取決于材料的溫度，并有關(guān)系 式中， k—— 波爾茲曼常數(shù)， T—— 材料的絕對溫度， R(f)—— 表示電阻隨頻率的變化關(guān)系， —— 熱噪聲的頻譜分布帶寬 ?? 21)(42ffT dffRkTU12 ff ???50 在室溫下熱噪聲的有效帶寬可證明為 式中， h為普朗克常數(shù)， 在室溫情況下可計算 B＝ 。由此可見，檢測電路通頻帶對白噪聲輸出電壓 有很強(qiáng)的抑制作用。這種由于光、電載流子形成和流動密度的漲落造成的噪聲稱作電路的 散粒噪聲 。對這些不同類型的元器件，在作噪聲估算時，為了計算方便，工程上常常進(jìn)行等效處理，即將各種器件的噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式，這樣便可以與其它電路器件一起以統(tǒng)一的方式建立起等效噪聲電路。也 就是說，用均勻等幅的等效帶寬代替了實際噪聲頻譜的不均勻 分布。噪聲估算的具體步驟是： 首先確定檢測器件和前級電路的噪聲源； 其次計算等效電阻和復(fù)合阻抗下的噪聲等效帶寬，畫出檢測電路的噪聲等效電路； 最后根據(jù)噪聲等效電路計算噪聲輸出電壓、信噪比和最小輸入光功率值。 倍增管檢測電路負(fù)載電阻 R上的熱噪聲電流為 因此，負(fù)載電阻上總的噪聲輸出電流為 可以證明，對大多數(shù)倍增管檢測電路，上式中的第二項熱噪聲 同第一項散粒噪聲相比是很小的。 A為光電陰極光敏面積。 在檢測閾值光通量的弱光情況下，有 ＝ 0，此時的總噪 聲電流 取決于暗電流 ，有 負(fù)載電阻 R上的噪聲輸出電壓為 ?fMqII AN ?? 2???? ? 546510 10~10,10~10,10 RMAI K?MqIRkT AL 2/4 ??NIAI dI 0AI0AINmI dI?fMqII dNm ?? 2?fMqIRU dNm ?? 2光電倍增管檢測電路及噪聲等效電路 a) 檢測電路 b) 噪聲等效電路 60 對于負(fù)載電阻 R上有并聯(lián)電容的情況，則有 陽極輸出總信噪比 是直流光電流 與噪聲電流有效值 之比值，即 靈敏閾 是暗電流噪聲電流有效值 與陽極靈敏度之比值 比靈敏閾為 式中，對于純電阻情況下 Δ f＝ Δ F是后級放大器通頻帶。 58 光電倍增管的整管噪聲取決于光電陰極和倍增極的散粒噪 聲。 附帶指出，等效帶寬的概念同樣適用于 散粒噪聲的計算。對于由兩個電阻 和 串或并 聯(lián)組成的合成電路，可以證明，綜合噪聲電流等于合成電阻提 供的噪聲電流，并表示為 式中，在串聯(lián)情況下（如圖 b） 在并聯(lián)情況下（如圖 c） 在更為復(fù)雜的情況，應(yīng)先將所有電阻合成，畫出簡化電 路，然后確定噪聲等效電流源。若器件的通頻帶為 Δ f，它的散粒噪聲電流均方值 為 式中， q—— 電子電荷量， —— 為光電流平均值。在不同瞬間通過電路的電流密度也是不均勻的，它的電流平均值代表電路的電流值。因此熱噪聲的頻譜可看作是平直的，稱作 白噪聲 。 49 檢測電路的噪聲等效處理 輻射探測器中存在許多內(nèi)部噪聲，主要的噪聲來源是 熱噪 聲 和 散粒噪聲 。這些擾動可以通過穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振面或濾色片以及電氣屏蔽、電干擾濾波等措施加以改善或消除。若交流負(fù)載線的斜率是 + ，設(shè)交流負(fù) 載總電流峰值為 Im，則有 另一方面，在圖中的線段 MH上有 代入上式，有 負(fù)載電阻 上的輸出功率 為 式中， 是負(fù)載 上的電流峰值，有 )/( bLmm GGIU ??mLLmL UGRUI ?? /LPLRbGLGmmEm gUESI ??)/( gGGESU bLmEm ???LR2/mLL UIP ?2)]/([)2/( gGGESGP LbmELL ????LR46 將 對 求偏微分計算最大功率輸出下的負(fù)載電阻 ＝ 1/