【正文】 器光電特性的線性范圍內(nèi)，以確保獲得良好的線性檢測。 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。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。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。隨輸入光通量的改變，各曲線間逐漸近似平行，間距相等。 Ub、 RL和光電二極管 V串聯(lián)連接。 計算光電二極管輸入電路的圖解法 a) 基本電路 b) 圖解法計算 LR16 對于這種簡單電路可列出回路方程 或 式中， U(I)是非線性函數(shù)。當(dāng)輸入光通量由 Φo改變 +ΔΦ（或 ΔΦ）時，在負(fù)載電阻 RL上會產(chǎn)生 Δ U（或 +Δ U）的電壓信號輸出和 +Δ I（或 Δ I）的電流信號輸出。 a) 負(fù)載電阻影響 在圖 a中，當(dāng)偏置電壓 Ub不變時，對于同樣的輸入光通量 Φo177。 18 另一方面，在圖 b中，對應(yīng)于相同的 RL值，當(dāng)偏置電壓 Ub增大時輸出信號電壓的幅度也隨之增大，并且線性度得到改善。通常是在轉(zhuǎn)折點 M處將曲線分作兩個區(qū)域。 c）結(jié)間漏電導(dǎo) G：線性區(qū)內(nèi)各平行直線的平均斜率。 0U0GpIpI21 利用折線化的伏安特性，可將線性區(qū)內(nèi)任意 Q點處的電流值 I表示為兩個電流分量的組合：即與二極管端電壓 U成正比，由結(jié)間漏電導(dǎo)形成的無光照電流（暗電流） Id和與端電壓無關(guān)僅取決于輸入光功率的光電流 Ip。相應(yīng)的轉(zhuǎn) 折電壓 或初始電導(dǎo)值 可由圖 a中圖示 關(guān)系決定。 )/()/()( m i nm a xLLGGSGGSU????????????0Um i nm a xm a x )( ???? SGUUUG bL0Um a x00 )( ???? SGUUUG bL)/()()/()(m a x0m i nm a xLbLLbLGGSUGUGGSUGU????????25 4）計算輸出電流幅度 由圖 b，輸出電流幅度為： 可得 通常 G，上式可簡化為 5）計算輸出電功率 由功率關(guān)系 P=Δ IΔ U可得 22 )]/([)( LLL GGSGUGP ??????LUGIII ????? m i nm a x)/1/()( m i nm a x LL GGSUGI ?????????LG????????? SSI )( m i nm a x26 光伏型光電器件輸入電路的靜態(tài)計算 光伏型光電器件的伏安特性是一組以入射光功率為參量的曲線組，分布在伏安坐標(biāo)系的第四象限。光伏型光電器件輸入電路的計算將根據(jù)前述的表達(dá)式和相應(yīng)的伏安曲線以及電路方程進(jìn)行。通常光電池多采用上圖 a和 c的電路，光電二極管多采用上圖b的電路。 ΔΦ將形成對應(yīng)的電流變化 177。對圖 a的回路建立電路方程，有 和 )1( /0 ??? TUUp eIII下面以光電池為例介紹無偏置電路的靜態(tài)計算方法。 31 根據(jù)上述公式，在同一入射光通量下，負(fù)載電阻對光電池輸出電壓、電流、功率的影響曲線表示在上圖 b中。 可以定量地描述負(fù)載電阻和入射光通量對電路工作狀態(tài)（ I、 U、 P）的影響： 32 1）短路或線性電流放大 這是一種電流變換狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，后續(xù)電流放大級作為負(fù)載從光電池中取得最大的輸出電流。 短路電流隨受光面積的大小而改變，同一片光電池的短路電流或低阻負(fù)載時的負(fù)載電流與受光面積的變化曲線表示在下圖中，圖中 A為受光面積。并且由于 Ip與光電池面積成正比，所以同一光電池的開路電壓與光電池面積的對數(shù)成正比，如上圖所示。ln39。 )/39。l n ()/39。為了確定負(fù)載電阻的臨界條件，可利用式 顯然，在 很大時式中的指數(shù)項不能忽略。此時，在電壓軸上 選取臨界電壓 Us＝ ，與對 應(yīng)伏安曲線相交于 S點，這樣也可以得到 臨界電阻的負(fù)載線。 當(dāng)溫度變化 Δ T時，電阻的變化量 為 )/(1/1/ dp GGGIUR ??????? SESG gp dG)1(0 TRR T ???TR 0RTR?TRR T ??? ?039 1)．簡單輸入電路 電路的圖解計算法表示在 圖 b中。 (1)恒流偏置 在輸入電路中的負(fù)載電阻比光敏電阻大得多的條件下有 R，此時負(fù)載電流 變成 這表明負(fù)載電流與光敏電阻值無關(guān)，近似保持常數(shù)。但是由于 很大，為使光敏電阻正常工作的偏置電壓則很高（達(dá) 100V以上），這給使用帶來不便。負(fù)載上的信號電壓變成 式中 SΔΦ=Δ G是光敏電阻的電導(dǎo)變化量，是引起信號輸出的原因。這類信號的特點是信號微弱，需要多級放大以及信號中包含著豐富的頻率分量等。另一方面輸入電路和后續(xù)電路通常是經(jīng)阻容連接等多種方式耦合的。 44 1)．光電二極管交流檢測電路 圖 a給出了反向偏置光電二 極管交流檢測電路的基本形式。對應(yīng)的交流負(fù)載線 MN應(yīng)該通過特性曲線的轉(zhuǎn)折點 M，以便能充分利用器件的線性區(qū)間，其斜率由 和 的并聯(lián)電阻決定。 負(fù)載電阻上的輸出電壓峰值 Um可利用圖 b中陰影線三角形 MHQ的數(shù)值關(guān)系計算。外部擾動包括輻射源的隨機(jī)波動和附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)的湍流和背景起伏、雜散光的入射以及檢測電路所受到的電磁干擾等。因此，在光電檢測電路設(shè)計中，要進(jìn)行綜合噪聲估算以確保可靠檢測所必需的信噪比。這對實際的檢測電路是 足夠?qū)挼摹? fkT RU T ?? 42RfkTRUI TT /4/ 222 ???JkT ???fRJfk T RU T ????? ? 2/RfJI T / 2/110 ??? ?52 在單位時間內(nèi)達(dá)到光敏表面的光子數(shù)和由它激勵形成的光電子數(shù)是隨機(jī)離散的。 和熱噪聲不同，散粒噪聲的量值不取決于溫度，而由流過器件的平均電流決定。 fqII pS ?? 2fqIRRIU pSS ??? 254 簡單電阻的噪聲等效電路表示在上圖 a中，它由熱噪聲電 流源 和電阻并聯(lián)。這樣， 這就是阻容電路熱噪聲的一般表示式。 下面，以光電倍增管為例，介紹光電檢測電路的噪聲估算方法。 ?fMqII ANA ?? 2RfkTI T /4 ??fRkTMqII AN ??? )/42( ?59 例如，在 的條件下， 關(guān)系式 就能成立，所以總的噪聲輸出電流 變成 式中，陽極電流 是暗電流 和光電流直流分量 的總和。 RCff e 4/1????ASNR AI NIfMqIIS N R AAA ?? ?2/mins? NmIfMqISSI dAANms ???? ?2)/1(/m i nFASfMqIFASIFA AdANmss ????????? /2)/1)(/(/m i n* ?RCFRCff e ?2/1,4/1 ??????