【正文】 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。 倍增管檢測電路負載電阻 R上的熱噪聲電流為 因此，負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。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。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 。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＝ 。 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 。若在信號通頻帶范圍內(nèi)，耦合電容 Cc可認(rèn)為是短路，則等效交流負載電阻是 和 的并聯(lián)。 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。這種光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱作恒壓偏置。下面討論兩種典型的工作狀態(tài)。 )1( /0 ??? TL UIRp eIIILRTL URI /0負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。 ppTocpTpTococ IIUUIUIUUU ?????)/39。ln39。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。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之后負載上的電壓變得飽合（見上圖 b）。相對 的光通量增量 177。 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。 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。 b）初始電導(dǎo) ：非線性區(qū)近似直線的初始斜率。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。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。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。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。 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。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。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。 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。 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 。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。 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。 為使器件工作可靠，需要使器件在額定條件下使用。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。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。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。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。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。 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。在圖 b的電路中，負載電阻上除串聯(lián)光伏器件外尚有與器件端電壓相反方向的偏置電源，組成反向偏置電路。 ΔU。由圖中可以看出，對確定的負載電阻如 Rs，當(dāng)輸入光通量較小時負載上的輸出電流和電壓近似地隨入射光通量成正比例增加，而當(dāng)入射光通量較大時輸出電流和電壓逐漸呈現(xiàn)飽合狀態(tài)。此時光電池應(yīng)通過高輸入阻抗變換器與前級放大電路連接，相當(dāng)于輸出開路。此外，由伏安特性可以看到對于較小的入射光通量，開路電壓輸出變化較大，這對弱光信號的檢測特別有利。 EEUUUUU TocTococ ??????36 3）線性電壓輸出 由圖 負載電阻對光電池輸出電壓電流和功率的影響 中 b的Ⅲ 區(qū)域可見，這種工作