光电检测练习题

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,光电倍增管的输入（供电）电路,1,电阻链分压型供电电路,光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点，使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为首选的光电探测器。,光电倍增管的供电电路种类很多，可以根据应用的情况设计出各具特色的供电电路。本节介绍最常用的电阻分压式供电电路。,如图所示为典型光电倍增管的电阻分压式供电电路。电路由,11,个电阻构成电阻链分压器，分别向,10,级倍增极提供电压,U,DD,。,考虑到光电倍增管各倍增极的电子倍增效应，各级的电子流按放大倍率分布，其中，阳极电流,I,a,最大。因此，电阻链分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但是，当流过分压电阻的电流,I,R,远远大于,I,a,时，即,I,R,I,a,时，流过各分压电阻,R,i,的电流近似相等。工程上常设计,I,R,大于等于,10,倍的,I,a,电流。,I,R,10,I,a,选择太大将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高，导致性能的降低，以至于温升太高而无法工作。,电阻链的设计,R,=,U,bb,/,I,R,各分压电阻,R,i,为,而,R,1,应为,R,1,=1.5,R,i,电源电压,极间供电电压,U,DD,直接影响着二次电子发射系数,，,或管子的增益,G,。,因此，根据增益,G,的要求可以设计出极间供电电压,U,DD,与电源电压,U,bb,。,由,可以计算出,U,DD,与,U,bb,。,选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值,R,末极的并联电容,当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末,3,级倍增极电流变化会引起较大,U,DD,的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末,3,极并联,3,个电容,C,1,、,C,2,与,C,3,，,通过电容的充放电过程使末,3,级电压稳定。,电容,C,1,、,C,2,与,C,3,的计算公式为,式中,N,为倍增极数，,I,am,为阳极峰值电流，,为脉冲的持续时间，,U,DD,为极间电压，,L,为增益稳定度的百分数。,2,电源电压的稳定度,可得到光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度的关系,对锑化铯倍增极,由于光电倍增管的输出信号,U,o,=,GS,k,v,R,L,，,因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关,对银镁合金倍增极,在实际应用中常常对电源电压稳定度的要求简单地认为高于输出电压稳定度一个数量级。例如，当要求输出电压稳定度为,1%,时，则要求电源电压稳定度应高于,0.1%,。,例,1,设入射到,PMT,上的最大光通量为,v,=12,10,-6,lm,，当采用,GDB-235,型倍增管为光电探测器，已知,它的倍增级数,为,8,级，阴极为,SbCs,材料，倍增极也为,SbCs,材料，,S,K,=,40,A/lm,，,若要求入射光通量在,0.,6,10,-6,lm,时的输出电压幅度不低于,0.2V,，,试设计该,PMT,的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到,0.01%,，试问该,PMT,变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？,根据题目对输出电压幅度的要求和,PMT,的噪声特性，可以选择阳极电阻,R,a,=82k,，阳极电流应不小于,I,amin,，因此,解,(1),首先计算供电电源的电压,I,amin,=U,O,/R,a,=0.2V/82 k=2.439A,入射光通量为,0.610,-6,lm,时的阴极电流为,I,K,=,S,K,v,=4010,-6,0.610,-6,=2410,-6,A,此时，,PMT,的增益,G,应为,SbCs,倍增极材料的增益,与极间电压,U,DD,有,总电源电压,U,bb,为,U,bb,=,（,N,+1.5,）,U,DD,=741V,N,=8,，每一级的增益,=4.227,(2),计算偏置电路电阻链,的阻值,偏置电,路采用如图所示的供电电路，设流过电阻链的电流为,I,Ri,，,流过阳极电阻,R,a,的最大电流为,I,am,=,GS,K,vm,=1.0210,5,4010,-6,1210,-6,=48.96A,取,I,Ri,10,I,am,，,则,I,Ri,=500A,因此，,电阻链的阻值,R,i,=,U,DD,/,I,Ri,=156k,取,R,i,=120 k,，,R,1,=1.5R,i,=180 k,。,(3),输出信号电压的稳定度最高为,例,4-2,如果,GDB-235,的阳极最大输出电流为,2mA,，,试问阴极面上的入射光通量不能超过多少,lm,？,解,由于,I,am,=,G,S,K,Vm,故阴极面上的入射光通量不能超过,运算放大器输出,PMT,V,R,f,C,f,输出的电压,U,bb,R,L,U,o,等效电路,3.3,光生伏特器件的偏置电路,光生伏特器件在反向偏置状态，,PN,结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围和光电变换的动态范围加宽。,光伏器件反向偏置电路,1.,反向偏置电路的输出特性,在如图所示的反向偏置电路中，,U,bb,KT/q,时，流过负载电阻,R,L,的电流,I,L,为,二极管两端的电压可以写成,2.,输出电流、电压与辐射量间的关系,反向饱和电流很小，可以忽略不计。,反向偏置电路的输出电压与入射辐射量的关系为,输出电压信号,U,为,例,用,2CU,2D,光电二极管探测激光器输出的调制信号,e,=20+5sin,t,（,W,）,的辐射通量时，若已知电源电压为,15V,，,2CU,2D,的光电流灵敏度,S,i,=0.5,A/,W,，,结电容,C,j,=3 pF,，,引线分布电容,C,i,=7 pF,，,试求负载电阻,R,L,=2M,时,该电路的偏置电阻,R,B,为多少？并计算输出最大电压信号情况下的最高截止频率为多少？,解,首先找出入射辐射的峰值,m,m,=20+5=25W,2CU,2D,的最大输出光电流,I,m,设最大输出电压信号时的偏置电阻为,R,B,，则,I,m,=,S,i,m,=12.5(A),最大输出的电压时的最高截止频率,f,b,为,3.,反向偏置电路的设计与计算,反向偏置电路常用图解法，根据光电三极管（或光伏器件）的反向偏置电路图与其输出特性曲线，可以求解出任何入射辐射作用下的输出电压信号。也可以根据题目的要求，设计出偏置电路的各种参数。,例,已知某光电三极管的伏安特性曲线如图,3-42,所示。当入射光通量为正弦调制量,v,=55+40sin,t lm,时，今要得到,5V,的输出电压，试设计该光电三极管的变换电路，并画出输入输出的波形图，分析输入与输出信号间的相位关系。,解,:,首先根据题目的要求，找到入射光通量的最大值与最小值,max,=55+40=95 lm,min,=55,40=15 lm,在特性曲线中画出光通量的变化波形，补充必要的特性曲线。,光电三极管的反偏电路图解法,再根据题目对输出信号电压的要求，确定光电三极管集电极电压的变化范围，本题要求输出,5V,，,指的是有效值，集电极电压变化范围应为双峰值。即,U,ce,=2,U,14V,根据偏置电路可知，入射为最大时输出电压应最小，但不能进入饱和区。为此，在特性曲线的“拐点”右侧找一点“,A”,并做垂线交横轴于“,C”,点，从“,C”,向右量,14V,，,找“,D”,点。由“,D”,做垂线交入射为最小的特性曲线与“,B”,。,通过“,A”,、“,B”,做,直线，此线即为负载线。由负载线可以得到负载电阻,R,L,和电源电压,U,bb,。,根据入射光通量正弦变化关系可以在特性曲线的电压坐标轴上画出输出信号的波形如图所示。,由输出波形可以看出入射辐射与输出电压信号为反向关系。,显然，“,C”,点电压为,3.7V,，“,D”,点电压为,17.7V,。电源电压,U,bb,近似为,19V,，取标称电压,20V,。,电源电压,U,bb,取标称电压,20V,后可以适当地修正负载线。,零伏置电路,如图所示为采用高输入阻抗放大器构成的近似零伏偏置电路。图中,I,sc,为短路光电流，,R,i,为光生伏特器件的内阻，集成运算放大器的开环放大倍数,A,o,很高，使得放大器的等效输入电阻很低，光生伏特器件相当于被短路。即,电流、电压放大电路,反馈电阻,R,f,很高，电路的放大倍率和灵敏度都很大。,