-光電檢測電路的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 光電池的開路電壓為 ～ ，在入射光強從零到某一定值作跳躍變化的光電開關等應用中簡單地利用 Uoc的電壓變化不需加任何偏置電源即可組成控制電路，這是它的優點。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。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。 )/39。l n ()/39。l n (39。 EEUUUUU TocTococ ??????)1( /0 ??? TL UIRp eIII3）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 區域可見，這種工作狀態在串聯負載電阻上能得到與輸入光通量近似成正比的信號電壓。增大負載電阻有助于提高電壓，但卻引起輸出信號的非線性畸變。為了確定負載電阻的臨界條件，可利用式 顯然，在 很大時式中的指數項不能忽略。將上式展開成冪級數，忽略高階項，上式可簡化為 I≈S Φ 上式要求 1。由于 I， 所以只要滿足條件 1 就可以得到輸出電流和輸入光強 的線性關系。 LRTL URI /0負載電阻對光電池輸出電壓電流和功率的影響 0ITL UIR /TU 令最大線性允許光電流為 Is，相應的光通量為 Φ s，則可得到輸出最大線性電壓的臨界負載電阻 Rs為 Rs /Is＝ 26mV/SΦ s 對于交變信號情況，對應 Φ max177。 ΔΦ 的輸入光強變化，負載上的電壓信號為 在線性關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。此時，在電壓軸上 選取臨界電壓 Us＝ ，與對 應伏安曲線相交于 S點，這樣也可以得到 臨界電阻的負載線。此處倍數 數據。由于臨界電阻 Rs上的電壓 Us為 Us≈RsIs ＝ )/(26)/26( m ax????????????? mVSSmVIRU sps光電池近似線性區間的確定 m a / /s oc p ocR U I U S? ? ? 所以， Rs值可近似計算為 式中， Uoc是對應 Φ max時的值，對應的輸出電壓的變化為 )/()/( m axm ax ????????????? ococps USSUIRU 可變電阻型光電器件輸入電路的靜態計算 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原點的直線組，在一定范圍內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， 是暗電導。 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， T為溫度。 當溫度變化 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 ??? ?01)．簡單輸入電路 電路的圖解計算法表示在 圖 b中。這是一個線性電路的 計算，在建立負載線之后即可 確定對應于輸入光通量 ～ 變化的負載電阻上的輸出信號。 電路的工作狀態也可以用 解析法按線性電路規律計算，由圖 a有 當輸入光通量變化時，通過光敏電阻的變化 Δ R而引起負載電流的變化 Δ I，有 3? 1?最簡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 ????????負載電流變化△ IL RRR UI 2LbL ?? )( ???光電導 Gp為 : ?SESG p ??ddp GS ΦGGR ???? 11又 微分得： ????? SRGG SR 22dp????? )(則有 : ??? 2Lb2L RRSURI)( ??電壓變化量 : ???? L2Lb2LLL RRRSURIRU)( ??? 上兩式給出了由于輸出光通量的變化 ΔΦ 引起的負載電流和電壓的變化量。下面討論兩種典型的工作狀態。 (1)恒流偏置 在輸入電路中的負載電阻比光敏電阻大得多的條件下有 R，此時負載電流 變成 這表明負載電流與光敏電阻值無關，近似保持常數。這種電路稱作恒流偏置電路。隨輸入光通量 ΔΦ 的變化，負載電流的變化 Δ I變成 上式表明輸出信號電流取決于光敏電阻和負載電阻的比值，與偏置電壓成正比。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，這是它的優點。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 100V以上），這給使用帶來不便。為了降低電源電壓，通常采用晶體管作恒流器件來代替 。 LILbL RUI /?2)/( Lb RRSUI ????LRLRLR (2)恒壓偏置 在負載電阻 比光敏電阻小得多時有 R，此時偏置電壓 UL變成 ≈ 0 因此，光敏光阻上的電壓 近似與電源電壓 相等。這種光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱作恒壓偏置。負載上的信號電壓變成 式中 SΔ Φ =Δ G是光敏電阻的電導變化量，是引起信號輸出的原因。上式表示恒壓偏置的輸出信號與光敏電阻值無關，僅取決于電導的相對變化，這樣，檢測電路在更換光敏阻值時對電路初始狀態影響不大。這是該電路的優點。 LR LRLURU bUbLU S U R? ? ? ? 2)．電橋輸入電路 為避免可變電阻型器件受環境溫度的影響常采用電橋電路。以熱敏電阻為例，選擇性能相同的兩個熱敏電阻 和 作電橋測量臂的電阻，普通電阻作為補償臂電阻，外加電源電壓為 。在無輻射照射時，調節補償電阻 ，使電橋平衡。此時 2TRbU 2R1221 RRRR TT ?熱敏電阻電橋電路 1TR1TR 電橋輸出信號為 Uo＝ 0。當有輻射作用于熱敏電阻 上時，溫升 Δ T引起電阻的改變為 式中， 為熱敏電阻 的暗電阻。此時電橋平衡破壞，開路電壓 Uo為 在弱輻射作用下有 Δ R + ， 取 ＝ ＝ R和 ＝ ＝ ，其中 是 的暗電阻。則上式為 由式可見輸出電壓 與熱敏電阻變化量 Δ R成比例，并與負載電阻 R有關。令 dUo/dR＝ 0，可計算當 R＝ 時 Uo取最大值為 2TR0U01RRRR T ??? 011熱敏電阻電橋電路 1TR))(/( 2210120 RRRRRRRUU Tb ??????01R 1R1R 2R 01R 02R 0R02R200 )/( RRRRUU b ???0R)/()4/(m a x0 RRUU b ??? 檢測器件和放大電路的連接 前述輸入電路的計算確定了在緩變光信號作用下電阻負載上的電流和電壓。對于大多數弱光信號的檢測，輸入電路通常要與信號放大電路相連接。隨著集成電路技術的發展，各種類型集成放大器廣泛應用于光電檢測中。下面介紹三種光電二極管與 IC放大電路的典型連接方法。 光電二極管和 IC放大器的連接 a) 電流放大型 b) 電壓放大型 c) 阻抗變換型 inZ 1)．電流放大型 圖 a是電流放大型 IC檢測電路。光電二極管 和運算放大器的兩個輸入端同極性相連，運算 放大器兩輸入端間的輸入阻抗 是光電二極管 的負載電阻，可表示為 式中， A是放大器的開環放大倍數， 是反饋電阻。 當 A＝ ， ＝ 100kΩ 時， ＝ 10Ω 。可以認為光電二極管是處于短路工作狀態，能取出近于理想的短路電流。處于電流放大狀態的運算放大器，其輸出電壓 Uo與輸入短路光電流成比例，并有 即輸出信號與輸入光通量成正比。此外，電流放大器因輸入阻抗低而響應速度較高，并且放大器噪聲較低，信噪比提高。這些優點使其廣泛應用于弱光信號的檢測中。 )1/( ?? ARZ finfR410fR inZ??? SRRIU ffsco)/ln ( 0ISAUAUU Toco ??? 2)．電壓放大型 圖 b是電壓放大型 IC檢測電路，此處光電二極管的正端接在運算放大器的正端。運算放大器的漏電流比光電流小得多，具有很高的輸入阻抗。當負載電阻 取 1MΩ 以上時，運行于光電池狀態下的光電二極管處于接近開路狀態，可以得到與開路電壓成比例的輸出信號，即 式中， 是該電路的電壓放大倍數。 LR112 /)( RRRA ??fR 3)．阻抗變換型 反向偏置光電二極管或 PIN光電二極管具有恒流源性質，內阻很大，且飽和光電流和輸入光通量成正比，在有很高的負載電阻的情況下可以得到較大的信號電壓。但如果將這種處于反向偏置狀態下的光電二極管直接接到實際的負載電阻上，則會因阻抗的失配而削弱信號的幅度。因此需要有阻抗變換器將高阻抗的電流源變換成低阻抗的電壓源，然后再與負載相連。圖 c中所示的以場效應管為前級的運算放大器就是這樣的阻抗變換器。該電路中場效應管 具有很高的輸入阻抗，因此光電流是通過反饋 電阻 形成壓降的。 ??????? SRRIIRU ffpf0 電路的輸入電壓 Uo為 Uo與輸入