如光电二极管反向偏置课件

2024/7/152024/7/153.5 偏置电路和信号处理电路偏置电路和信号处理电路3.5.1 偏置电路类型偏置电路类型3.5.2 光电导探测器的偏置电路光电导探测器的偏置电路3.5.3 光伏探测器输出电路光伏探测器输出电路2023/8/153.5 偏置电路和信号处理电路3.5.1 2024/7/152024/7/15 PN结型光伏探测器器件和光电导探测器是在结型光伏探测器器件和光电导探测器是在一定一定偏置电路状态下工作偏置电路状态下工作，按照使用在不同场合下，按照使用在不同场合下，光伏探测器的偏置电路一般有自偏置电路、零偏置光伏探测器的偏置电路一般有自偏置电路、零偏置电路和反向偏置电路。电路和反向偏置电路。对于光伏探测器每一种偏压电路使得光伏探测对于光伏探测器每一种偏压电路使得光伏探测器工作在其伏安特性曲线的不同区域，表现出不同器工作在其伏安特性曲线的不同区域，表现出不同的特性。的特性。3.5 偏置电路和信号处理电路偏置电路和信号处理电路 光电导器件有恒流偏置电路、恒压偏置电路、光电导器件有恒流偏置电路、恒压偏置电路、恒功率偏置电路。恒功率偏置电路。2023/8/15 PN结型光伏探测器器件和2024/7/152024/7/153.5 偏置电路和信号处理电路偏置电路和信号处理电路光照下的光照下的pn结伏安特性结伏安特性反偏置正偏置自偏置(无外加偏压)2023/8/153.5 偏置电路和信号处理电路光照下的pn2024/7/152024/7/15 在光照射下，产生的光电在光照射下，产生的光电流流I流过外电路负载电阻流过外电路负载电阻R产生产生压降压降IR就是它自身的偏压。就是它自身的偏压。3.5.1 偏置电路类型偏置电路类型 自偏置电路实际上不需要外加偏压，由器件本身自偏置电路实际上不需要外加偏压，由器件本身在一定条件下产生的电压工作。在一定条件下产生的电压工作。一、自偏置电路一、自偏置电路 由于自偏置电路的特点，由于自偏置电路的特点，在实际测量中很少采用自偏置在实际测量中很少采用自偏置电路电路光电池自偏置电路光电池自偏置电路2023/8/15 在光照射下，产生的光电流I2024/7/152024/7/153.5.1 偏置电路类型偏置电路类型 光伏探测器在自偏置的情况下，若负载电阻光伏探测器在自偏置的情况下，若负载电阻R为为零，自偏压为零；或者光伏探测器在反偏置的情况下，零，自偏压为零；或者光伏探测器在反偏置的情况下，反偏电压很小或接近零。这两种情况下都属于零偏置。反偏电压很小或接近零。这两种情况下都属于零偏置。对应的偏置电路都称为对应的偏置电路都称为零偏置电路零偏置电路。二、零偏置电路二、零偏置电路下面介绍两种零偏置典型电路：下面介绍两种零偏置典型电路：2023/8/153.5.1 偏置电路类型 光2024/7/152024/7/153.5.1 偏置电路类型偏置电路类型 它是直接将光电池的输出接到运算放大器的它是直接将光电池的输出接到运算放大器的两个输入端，以实现电流与电压的转换，即输出两个输入端，以实现电流与电压的转换，即输出电压为：电压为：U=Isc RfA A 利用运算放大器实现零偏置电路利用运算放大器实现零偏置电路光电池的零偏置电路光电池的零偏置电路2023/8/153.5.1 偏置电路类型 2024/7/152024/7/153.5.1 偏置电路类型偏置电路类型 光敏电阻光敏电阻(PV-InSb)在在静态时由于探测器的反向静态时由于探测器的反向漏电流在探测器附加了一漏电流在探测器附加了一个正向偏置电压，为了获个正向偏置电压，为了获得零偏置状态，需外加反得零偏置状态，需外加反向偏压来抵消反向漏电流向偏压来抵消反向漏电流的影响。的影响。B B 光敏电阻的零偏置电路光敏电阻的零偏置电路InSbC光敏电阻光敏电阻零偏置电路零偏置电路2023/8/153.5.1 偏置电路类型 2024/7/152024/7/153.5.1 偏置电路类型偏置电路类型 这里要使探测器处于零偏置状态，则取这里要使探测器处于零偏置状态，则取UD=0，ID=I0，I0为探测器的反向漏电流。为探测器的反向漏电流。设探测器静态时的工作电流设探测器静态时的工作电流(暗电流暗电流)ID，静态，静态工作电压工作电压UD，则有：，则有：UD=UbIDRL2023/8/153.5.1 偏置电路类型 这里要2024/7/152024/7/153.5.1 偏置电路类型偏置电路类型 光电导器件，由于用带隙能量很小的材料制光电导器件，由于用带隙能量很小的材料制成，其性能受热激发影响较大，能承受的反向偏成，其性能受热激发影响较大，能承受的反向偏压不高，常工作在零伏偏置或接近于零伏偏置的压不高，常工作在零伏偏置或接近于零伏偏置的状态。状态。光伏探测器采用零偏置电路时，它的光伏探测器采用零偏置电路时，它的1/f噪声噪声最小，暗电流为零，可以获得较高的信噪比。因最小，暗电流为零，可以获得较高的信噪比。因此，即使性能较好的光伏探测器也常采用零偏置此，即使性能较好的光伏探测器也常采用零偏置电路，以免采用其它偏置电路引入噪声。电路，以免采用其它偏置电路引入噪声。注意注意：零伏偏置电路只适合对微弱光辐射信：零伏偏置电路只适合对微弱光辐射信号的探测，不适合较强光辐射探测的领域。号的探测，不适合较强光辐射探测的领域。2023/8/153.5.1 偏置电路类型 光电2024/7/152024/7/153.5.1 偏置电路类型偏置电路类型 当光伏探测器外加偏压工作时，若当光伏探测器外加偏压工作时，若N区接电源的区接电源的正端，正端，P区接电源的负端，光伏探测器处在反偏置状区接电源的负端，光伏探测器处在反偏置状态，对应的电路称之为态，对应的电路称之为反偏置电路反偏置电路，三、反偏置电路三、反偏置电路光伏探测器反向偏置电路光伏探测器反向偏置电路(a)原理示意图(b)反向偏置电路2023/8/153.5.1 偏置电路类型 当2024/7/152024/7/153.5.1 偏置电路类型偏置电路类型在反向偏置电路中，流过负载申阻在反向偏置电路中，流过负载申阻R RL L的电流为：的电流为：IL=IP+Id 输出电压：输出电压：U0=Ub-IRL1 反向偏置电路的输出特性反向偏置电路的输出特性 从右图不难看出，反从右图不难看出，反向偏置电路的的输出电压向偏置电路的的输出电压的动态范围取决于电源电的动态范围取决于电源电压压UbUb与负载电阻与负载电阻RLRL，电流，电流I I的动态范围也与负载电的动态范围也与负载电阻阻RLRL有关。有关。输出电流(A)偏压电压(V)反向偏置电路输出特性曲线反向偏置电路输出特性曲线2023/8/153.5.1 偏置电路类型在反向偏置电路中，2024/7/152024/7/153.5.1 偏置电路类型偏置电路类型2 输出电流、电压与辐射通量的关系输出电流、电压与辐射通量的关系 反向偏置电路的输出电流与入射辐射通量反向偏置电路的输出电流与入射辐射通量的关系：的关系：在忽略暗电流时，输出电流与入射辐射通量在忽略暗电流时，输出电流与入射辐射通量可简化为：可简化为：同样，反向偏置电路的输出电压与入射辐射同样，反向偏置电路的输出电压与入射辐射通量的关系为：通量的关系为：2023/8/153.5.1 偏置电路类型2 输出电流、电压2024/7/152024/7/15 3.5.1 偏置电路类型偏置电路类型3 反偏置电路形式反偏置电路形式A A 基本反偏置电路基本反偏置电路 以光电二极管为例，最基本的反偏置电路如图以光电二极管为例，最基本的反偏置电路如图所示，它是由三个部分组成。图中，所示，它是由三个部分组成。图中，UbUb为外加电压，为外加电压，RLRL为负载电阻，假定流过光电二极管的电流为为负载电阻，假定流过光电二极管的电流为I I。式中式中UIUI为光电二极管的端电压为光电二极管的端电压 那么，可以得到光电二极那么，可以得到光电二极管在反偏电压下的回路方程：管在反偏电压下的回路方程：反向偏置电路反向偏置电路UI=UbIRL 2023/8/15 3.5.1 偏置电路类型3 反偏置电路形2024/7/152024/7/15 3.5.1 偏置电路类型偏置电路类型B 反偏压与运算放大器连接反偏压与运算放大器连接 该电路与基本反向偏置电路比该电路与基本反向偏置电路比较，它具有极小的负载电阻较，它具有极小的负载电阻(ri)，不易出现信号失真，同时由于运不易出现信号失真，同时由于运算放大器的放大作用，又能输出算放大器的放大作用，又能输出较大信号。较大信号。Ip为光电二极管的输出电流；为光电二极管的输出电流；Rf为放大器反馈电阻。为放大器反馈电阻。如右图，输出电压为：如右图，输出电压为：U0=IpRf 反偏置光电二极管与反偏置光电二极管与运算放大器电路运算放大器电路2023/8/15 3.5.1 偏置电路类型B 反偏压与运算2024/7/152024/7/15 3.5.1 偏置电路类型偏置电路类型C 雪崩二极管的反偏置电路雪崩二极管的反偏置电路 APDAPD的偏置电路的偏置电路(a)偏压可调电路(b)温度稳定偏压电路2023/8/15 3.5.1 偏置电路类型C 雪崩二极管的2024/7/152024/7/15 为了使光敏电阻能正常工为了使光敏电阻能正常工作，必须合理的正确选择作，必须合理的正确选择Ub和和RL。要求光敏电阻的实际。要求光敏电阻的实际功率应满足功率应满足：P=IUPmax3.5.2 光电导探测器的偏置电路光电导探测器的偏置电路 如图如图RP为光敏电阻，为光敏电阻，RL为负载电阻，为负载电阻，Ub为偏置为偏置电压。电压。1 基本偏置电路基本偏置电路光敏电阻基本偏置电路光敏电阻基本偏置电路由偏置电路可得出：由偏置电路可得出：U=UbIRL 2023/8/15 为了使光敏电阻能正常工作，必须合理的2024/7/152024/7/153.5.2 光电导探测器的偏置电路光电导探测器的偏置电路 因此：因此：要使负载线与要使负载线与PmaxPmax曲线不相交，即使光敏电阻曲线不相交，即使光敏电阻工作在工作在PmaxPmax曲线的左下部分，则有：曲线的左下部分，则有：于是：于是：Pmax为光敏电阻的极限功率，可由产品手册中查出。为光敏电阻的极限功率，可由产品手册中查出。2023/8/153.5.2 光电导探测器的偏置电路 2024/7/152024/7/153.5.2 光电导探测器的偏置电路光电导探测器的偏置电路 有时为了得到光敏电阻有较大的输出电流，有时为了得到光敏电阻有较大的输出电流，RL的值往往取得很小，即的值往往取得很小，即RL0。此时可按照下面式子。此时可按照下面式子来确定电源电压：来确定电源电压：Rpmin为辐射通量为辐射通量(辐射照度辐射照度)最大时的光敏电阻值。最大时的光敏电阻值。2023/8/153.5.2 光电导探测器的偏置电路 2024/7/152024/7/153.5.2 光电导探测器的偏置电路光电导探测器的偏置电路2 恒流偏置电路恒流偏置电路 这表明负载电流与光敏电阻无关，近似一个常数，这表明负载电流与光敏电阻无关，近似一个常数，这种偏置电路称之为这种偏置电路称之为恒流偏置电路恒流偏置电路。按照基本偏置电路，可以得出回路电流按照基本偏置电路，可以得出回路电流I I及负载及负载上的电压上的电压ULUL，即：，即：(3.72)若负载电阻若负载电阻RLRL比光敏电阻比光敏电阻RPRP大得多，即大得多，即RLRLRPRP时，回路电流：时，回路电流：2023/8/153.5.2 光电导探测器的偏置电路2 恒流2024/7/152024/7/153.5.2 光电导探测器的偏置电路光电导探测器的偏置电路 由于由于RLRL很大，使光敏电阻正常工作的偏置电压需很大，使光敏电阻正常工作的偏置电压需要很高为了降低电源电压，通常采用晶体管作为恒要很高为了降低电源电压，通常采用晶体管作为恒流元件。流元件。右图为实用中常采用的右图为实用中常采用的晶体管恒流偏置电路。由于晶体管恒流偏置电路。由于滤波电容滤波电容C C和稳压管和稳压管D2D2的作的作用，晶体管基极被稳压，基用，晶体管基极被稳压，基极电流极电流IbIb和集电极电流和集电极电流IcIc被被恒定，光敏电阻实现了恒流恒定，光敏电阻实现了恒流偏置。偏置。(3.72)晶体管恒流偏置电路晶体管恒流偏置电路2023/8/153.5.2 光电导探测器的偏置电路 由2024/7/152024/7/153.5.2 光电导探测器的偏置电路光电导探测器的偏置电路3 恒压偏置电路恒压偏置电路 恒压偏置电路的输出信号与恒压偏置电路的输出信号与光敏电阻无关，仅决定于电导光敏电阻无关，仅决定于电导的相对变化。这样当检测电路的相对变化。这样当检测电路在更换光敏电阻时，对电路的在更换光敏电阻时，对电路的原来的初始状态影响不大，这原来的初始状态影响不大，这是该偏置电路的优点。是该偏置电路的优点。在基本偏置电路中，若负载电阻在基本偏置电路中，若负载电阻RLRL比光敏电阻比光敏电阻RPRP小得多，即小得多，即RLRLRPRP时，可知，时，可知，RLRL两端电压两端电压U0U0，因此，因此光敏电阻上的电压光敏电阻上的电压U U近似等于近似等于UbUb，这种光敏电阻上的，这种光敏电阻上的电压保持不变的偏置称为电压保持不变的偏置称为恒压偏置恒压偏置。(3.72)晶体管恒压偏置电路晶体管恒压偏置电路2023/8/153.5.2 光电导探测器的偏置电路3 恒压2024/7/152024/7/153.5.2 光电导探测器的偏置电路光电导探测器的偏置电路4 恒功率偏置电路恒功率偏置电路 P P为恒定值，故称为为恒定值，故称为恒功率偏置电路恒功率偏置电路。这种电路。这种电路的特点是的特点是负载可获得最大的功率输出负载可获得最大的功率输出。在基本偏置电路中，若负载电阻在基本偏置电路中，若负载电阻RLRL与光敏电阻值与光敏电阻值RPRP相等，则光敏电阻消耗的功率为：相等，则光敏电阻消耗的功率为：(3.72)2023/8/153.5.2 光电导探测器的偏置电路4 恒功2024/7/152024/7/153.5.3 光伏探测器输出电路光伏探测器输出电路(1)电流放大器（电流放大器（I-VI-V变换电路）变换电路）由于大多数光伏探测器输出信号都较弱，对于它由于大多数光伏探测器输出信号都较弱，对于它的探测一般都需要进行放大，下面介绍三种进行信号的探测一般都需要进行放大，下面介绍三种进行信号处理电路。处理电路。(3.72)零偏置零偏置I IV V变换输出电路变换输出电路2023/8/153.5.3 光伏探测器输出电路(1)电流放2024/7/152024/7/153.5.3 光伏探测器输出电路光伏探测器输出电路 对于零偏置电流放大器，光电二极管和放大器的对于零偏置电流放大器，光电二极管和放大器的两个输入端同极性相连，放大器的输入阻抗两个输入端同极性相连，放大器的输入阻抗Z Z就是光就是光电二极管的负载电阻，可表示为：电二极管的负载电阻，可表示为：(3.72)Z=Rf/(1+A)式中：式中：A A是放大器的开环放大倍数；是放大器的开环放大倍数；RfRf是反馈电是反馈电阻，假定光电二极管短路光电流为阻，假定光电二极管短路光电流为IscIsc，那么放大器，那么放大器输出电压与光电二极管的短路光电流成正比，即：输出电压与光电二极管的短路光电流成正比，即：U=IR=RfS 电流放大器因输入阻抗低而响应速度较快，并且电流放大器因输入阻抗低而响应速度较快，并且放大器噪声较低，信噪比高，因此电流放大器在光伏放大器噪声较低，信噪比高，因此电流放大器在光伏探测中广泛应用于较弱光信号的检测。探测中广泛应用于较弱光信号的检测。2023/8/153.5.3 光伏探测器输出电路 对于零偏2024/7/152024/7/153.5.3 光伏探测器输出电路光伏探测器输出电路 如反偏置电流放大器原理图，其光伏器件如反偏置电流放大器原理图，其光伏器件(如如APD)APD)的电流输出直接接到运算放大器反相输入端的电流输出直接接到运算放大器反相输入端(负负端端)。其输出信号电压为：。其输出信号电压为：(3.72)反偏置反偏置I IV V变换输出电路变换输出电路U0=-ISCRf2023/8/153.5.3 光伏探测器输出电路 如反偏置2024/7/152024/7/153.5.3 光伏探测器输出电路光伏探测器输出电路(2)反向偏置输出直接接电压放大的输出电路反向偏置输出直接接电压放大的输出电路 光伏器件光伏器件(如光电二极管如光电二极管)反向偏置，输出电流反向偏置，输出电流I I0 0在负载电阻上产生电压并进行电压放大。其输出电压在负载电阻上产生电压并进行电压放大。其输出电压为：为：(3.72)U0=I0RLG反偏置电压放大的输出电路反偏置电压放大的输出电路2023/8/153.5.3 光伏探测器输出电路(2)反向偏2024/7/152024/7/153.5.3 光伏探测器输出电路光伏探测器输出电路(3)阻抗变换型输出电路阻抗变换型输出电路 如果将反向偏置状态下的光电二极管直接接到负如果将反向偏置状态下的光电二极管直接接到负载电阻上，则因为阻抗匹配不当而削弱输出信号幅度载电阻上，则因为阻抗匹配不当而削弱输出信号幅度。因此有必要设置一个。因此有必要设置一个阻抗变换器阻抗变换器，把具有恒流源性，把具有恒流源性质的光电二极管的质的光电二极管的高阻抗变换成低阻抗高阻抗变换成低阻抗，然后再与负，然后再与负载电阻相连。载电阻相连。(3.72)反向偏置的光电二极管或反向偏置的光电二极管或PINPIN光电二极管，由光电二极管，由于内阻很大，可以看作是理想的恒流源。且饱和光于内阻很大，可以看作是理想的恒流源。且饱和光电流和输入的光通量成正比，负载电阻较高时可以电流和输入的光通量成正比，负载电阻较高时可以得到较大的电压信号。得到较大的电压信号。2023/8/153.5.3 光伏探测器输出电路(3)阻抗变2024/7/152024/7/153.5.3 光伏探测器输出电路光伏探测器输出电路 (3.72)如图，电路的输出电压如图，电路的输出电压U0为：为：U0=IRfIPRF=RfS因而，因而，U0与入射光光与入射光光通量成正比。通量成正比。阻抗变换器输出电路阻抗变换器输出电路2023/8/153.5.3 光伏探测器输出电路 2024/7/152024/7/153.5.3 光伏探测器输出电路光伏探测器输出电路 可见，采用阻抗变换器可以使输出功率提高可见，采用阻抗变换器可以使输出功率提高(Rf/RL)2倍倍。(3.72)当实际的负载电阻当实际的负载电阻R RL L与放大器连接时，由于放与放大器连接时，由于放大器的输出阻抗较小，即大器的输出阻抗较小，即R RL LR R0 0，则负载功率，则负载功率P P0 0为：为：这种电路的时间性能较差，但用在对信号带宽这种电路的时间性能较差，但用在对信号带宽没有特殊要求的缓变光信号检查中，可以得到很没有特殊要求的缓变光信号检查中，可以得到很高的功率放大倍数。高的功率放大倍数。2023/8/153.5.3 光伏探测器输出电路 可见，采2024/7/152024/7/15光照下的光照下的pn结伏安特性结伏安特性反偏置正偏置自偏置(无外加偏压)2023/8/15光照下的pn结伏安特性反偏置正偏置自偏置(2024/7/152024/7/152023/8/15