【正文】 壓值 IQ與 UQ即為 RL上的輸出值。由上圖 a中可看到由于 RL很小，輸出電流接近于短路電流，它與入射光通量有良好的線性關(guān)系，即 ?????? ? SIeIII scRUIRp LTL 0/0 |)1(???? SI 由圖 b可見(jiàn)，根據(jù)選用負(fù)載電阻的數(shù)值可以把光電池的工作狀態(tài)分作：短路或線性電流放大、空載電壓輸出、線性電壓放大和功率放大四個(gè)區(qū)域，分別由圖中 Ⅰ 、 Ⅱ 、Ⅲ 、 Ⅳ 表示。lnln39。 電路的工作狀態(tài)也可以用 解析法按線性電路規(guī)律計(jì)算，由圖 a有 當(dāng)輸入光通量變化時(shí)，通過(guò)光敏電阻的變化 Δ R而引起負(fù)載電流的變化 Δ I，有 3?1?最簡(jiǎn)單的光敏電阻電路和電路圖解法 a) 光敏電阻電路 b) 圖解法 )/( LbL RRUI ?? )/( LLbL RRRUU ???22 )/( Lb RRSURI ??????22 )/( LbLL RRSURRIRU ????????40 上兩式給出了由于輸出光通量的變化 ΔΦ引起的負(fù)載電流和電壓的變化量。 2）使檢測(cè)電路具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，以能對(duì)復(fù)雜的瞬變光信號(hào)或周期性光信號(hào)進(jìn)行無(wú)頻率失真的變換和傳輸。靜態(tài)工作點(diǎn) Q的電流值由伏安特性有 由負(fù)載線有 求解上二式，有 gGG bL ??0LmP0LG0LR2/8/)(2/200200moLLmELmLmEmUGGESPGESU???0ESgUI E ??0bRLRLPbUbQbQ GUUI )( ??)/()( 0 bEbbQ GgESUGU ???47 另一方面，在電壓軸上工作點(diǎn) Q處的電壓 為 比較前二式可計(jì)算出 或 為 類似地，若 已知?jiǎng)t可由上式計(jì)算 值。相對(duì)平均值的散布形成了電路的噪聲。陽(yáng)極電流的散粒噪聲有效值表示為 式中， M是倍增系統(tǒng)放大倍數(shù)； σ 是噪聲增強(qiáng)因子，對(duì)靜電聚 焦型結(jié)構(gòu)， σ 在 ～ 。 eT fkT RU ?? 42RCf e 4/1??ef?57 典型光電檢測(cè)電路的噪聲估算 檢測(cè)電路噪聲估算的目的是要確定器件和電路的固有噪聲電平，計(jì)算信噪比，估算出為保證可靠檢測(cè)所必須的最小輸入光功率值。 )6/()/( 2??? hkTBJsh ???熱噪聲的功率譜分布和等效噪聲帶寬 a) 熱噪聲功率譜 b) 等效噪聲帶寬 51 在純電阻的簡(jiǎn)單情況下， R與頻率無(wú)關(guān)，熱噪聲的輸出取 決于檢測(cè)電路的實(shí)際通頻帶 Δ f，此時(shí) 相應(yīng)的噪聲電流均方值為 當(dāng)溫度為 T＝ 300K時(shí)， ，電阻的噪聲電壓和電 流有效值變成 例如，對(duì)于室溫下的 1MΩ電阻，如果檢測(cè)電路的放大倍數(shù)為 1，則輸出的熱噪聲電壓有效值在電路通頻帶為 Δ f＝ 30kHz時(shí) 是 V，通頻帶為 10MHz時(shí)是 400μ V，而整個(gè)白噪聲的輸出 電壓為 413mV。通過(guò) Q點(diǎn)作直流負(fù)載線可以圖解得到偏置電阻 和電源 的值。這是該電路的優(yōu)點(diǎn)。由于臨界電阻 Rs上的電壓 Us為 Us≈RsIs ＝ TUocU光電池近似線性區(qū)間的確定 38 可變電阻型光電器件輸入電路的靜態(tài)計(jì)算 阻值隨輸入光通量改變的光敏電阻的伏安特性是一組以輸入光功率為參量的通過(guò)原點(diǎn)的直線組，在一定范圍內(nèi)光敏電阻阻值不隨外電壓改變，僅取決于輸入光通量 Φ或光照度E，并有 式中， 是亮電導(dǎo)， 是暗電導(dǎo)。此外，由伏安特性可以看到對(duì)于較小的入射光通量，開(kāi)路電壓輸出變化較大，這對(duì)弱光信號(hào)的檢測(cè)特別有利。由圖中可以看出，對(duì)確定的負(fù)載電阻如 Rs，當(dāng)輸入光通量較小時(shí)負(fù)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(shí)輸出電流和電壓逐漸呈現(xiàn)飽合狀態(tài)。在圖 b的電路中，負(fù)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。設(shè)輸入光功率為 P，對(duì)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。例如在大信號(hào)檢測(cè)情況下可以定性地看到輸出信號(hào)的波形畸變。在工作電壓較小的范圍內(nèi)曲線呈彎曲的趨勢(shì)，并且有一轉(zhuǎn)折點(diǎn) M。 下頁(yè)中列出了典型光源和探測(cè)器光譜的對(duì)應(yīng)曲線 ????0)()()()()()( ?????????? dSI OfOaI)(??a )(??O)(??f8 典型光源和探測(cè)器光譜的對(duì)應(yīng)曲線 a) 相對(duì)光譜輻射亮度曲線 1太陽(yáng)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(duì)探測(cè)靈敏度曲線 1檢測(cè)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(tái)面型光電二極管 6視見(jiàn)函數(shù) 7CdS光敏電阻 9 2）探測(cè)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(jì)算出入射到探測(cè)器光敏面上的實(shí)際輻射能量，通常它們是很微弱的，探測(cè)器的選擇應(yīng)充分利用這些有用的信號(hào)能量，為此要考慮： ①使探測(cè)器有足夠高的探測(cè)率 ，以確保獲得一定裕度的信噪比。 3 一、光電檢測(cè)電路的靜態(tài)設(shè)計(jì) 檢測(cè)電路的靜態(tài)設(shè)計(jì)包括 光電器件的選擇 和 輸入電路的靜態(tài)計(jì)算 。正是由于利用了光電檢測(cè)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。 4）使檢測(cè)器件和輸入電路在電特性上匹配以得到良好的電信號(hào)輸出。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(hào) Uo就是從RL的兩端輸出的。為了提高輸出信號(hào)電壓應(yīng)增大 RL ，但過(guò)大的 RL會(huì)使負(fù)載線越過(guò)特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn) M進(jìn)入非線性區(qū)，而在這個(gè)范圍內(nèi)光電靈敏度 S=Δl/ΔΦ不再是常數(shù)，這會(huì)使輸出信號(hào)的波形發(fā)生畸變。 1）確定線性工作區(qū)域 由對(duì)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(diǎn) M。相對(duì) 的光通量增量 177。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(hào)的檢測(cè)。 ppTocpTpTococ IIUUIUIUUU ?????)/39。下面討論兩種典型的工作狀態(tài)。 43 輸入電路動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算 在交變光信號(hào)輸入電路中，為提供檢測(cè)器件的正常工作條件首先要建立直流工作點(diǎn)。 MbmEmmQ UGgESUUU ????? )(2/0QU0bG 0bR)(2/]2)2([ 00 MbMmEb UUgUEESG ????0bR bU48 三、光電檢測(cè)電路的噪聲估算 實(shí)際的光電檢測(cè)電路存在有各種 外部擾動(dòng) 和 內(nèi)部噪聲 。這種由于光、電載流子形成和流動(dòng)密度的漲落造成的噪聲稱作電路的 散粒噪聲 。 倍增管檢測(cè)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(duì)大多數(shù)倍增管檢測(cè)電路，上式中的第二項(xiàng)熱噪聲 同第一項(xiàng)散粒噪聲相比是很小的。 附帶指出，等效帶寬的概念同樣適用于 散粒噪聲的計(jì)算。因此熱噪聲的頻譜可看作是平