光电信号检测电路的测试 实验目的 通过对光伏型与可变电阻型器件的变换电路的测试实验，充分掌据光电检测器件输入电路的各种变换型式，以便根据不同的用途选用不同的电路型式。 实验内容 (1)光伏型器件——硅光电池变换电路(即输入电路)实验。 (2)光电导型(可变电阻型)器件——光敏电阻变换电路(即输入电路)实验。 实验仪器与器材 (1)直流稳压电源 (2)万用表 (3)照度计 (4)硅光电池与光敏电阻各1只 (5)晶体二、三极管和电阻电容元件若干 实验基本原理 1．光伏型光电检测电路 (1)电路变换型式 对于光伏器件，输入电路的基本型式主要有三种，如下图所示。在图(a)中，光伏器件直接和负载电阻连接，这种电路称作无偏置电路；在图(b)的电路中，负载电阻上除串联光伏器件外尚有与器件端电压相反方向的偏置电源，组成反向偏置电路；图(c)是作为能量变换器使用的太阳能电池充电电路。通常光电池多采用图(a)和(c)的电路，光电二极管多采用图(b)的电路。 (2)无偏置电路 下图给出了无偏置光电池输入电路的等效电路(图a)及其计算图解(图b)。对图(a)的回路，可建立的电路方程为 U=IR L 其中 (15-1) 利用图解计算法，对给定的输入光通量Φ 0 ，只要选定负载电阻R L ，工作点Q，即可由负载线与光电池相应的伏安曲线的交点确定电流与电压值。如该工作点点处的电流I Q 与电压U Q 即为R L 上的输出值。相对Φ 0 的光通量增量±△Φ将形成对应的电流变化±△j和电压变化±△U。 由于光电池特性的非线性，负载电阻的选择会影响光电池的输出信号。例如在下图(a)中，对应于光通量的增加量△Φ=Φ 1 -Φ 2 ，在短路状态下(即R L =0)，输出电流增量△I=I sc1 -I sc2 ，输出电压为零。随着R L 的增大，输出电压随之增大，直到某一临界电阻R M 之后负载上的电压变成饱和，而输出电流逐渐变小，如图(b)所示。另一方面，输入光通量也影响输入电路的工作状态。由图(a)中可以看出，对确定的负载电阻如R M ，当输入光通量较小时，负载上的输出电流和电压近似地随入射光通量成正比例增加，而当入射光通量较大时，输出电流和电压逐渐呈现饱和状态。负载电阻愈大时，则情况愈明显(如图中R 2 的情况)。 可以利用式(15-1)定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态(I，U，P)的影响，即 (15-2) (15-3) (15-4) 根据上述公式，在同一入射光通量下，负载电阻对光电池输出电压、电流、功率的影响曲线表示在图(b)中。由图(b)中可见，根据所选负载电阻的数值可以把光电池的工作曲线分作四个区域，分别由图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示，对应的四个工作状态为短路或线性电流放大、空载电压输出、线性电压放大和功率放大。下面讨论前三种工作状态。 ①短路或线性电流放大 这是一种电流变换状态。在这种状态下，后续电流放大级作为负载从光电池中吸取最大的输出电流。为此，要求负载电阻或后续放大电路输入阻抗尽可能小。由图(a)中可看到，由于R L 很小，输出电流接近于短路电流，它与光通量有良好的线性关系，即 (15-5) 和△I=S△Φ    (15-6) 此外，在短路状态下，检测器件的噪声电流较低，从而改善了信噪比，所以最适用于弱光信号的检测。这种短路电流，随检测器件的受光面积的大小而改变。同一片光电池的短路电流随光电检测器件的受光面积成正比的变化曲线，如下图所示，图中A为受光面积。 ②空载电压输出 这是一种非线性电压变换状态。此时光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。其开路电压可写成 (15-7) 式(15-7)表明，光电池的开路电压随入射光通量增大按对数规律增大，并且由于I p 与光电池面积成正比，所以同一光电池的开路电压与光电池光敏面受光面积的对数成正比，如上图所示。必须指出的是，开路电压并不是会无限增大，它的最大值受结势垒高度的限制。通常，光电池的开路电压为0.45～0.6V，因此它的一个优点是，在入射光强从零到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中，可简单地利用U oc 的电压变化而不需加任何偏置电源，即可组成控制电路。此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利。但光电池开路电压与入射光功率呈非线性关系，同时受温度影响较大，其频率特性也不理想，如果希望得到大的电压输出，则不如采用光电二极管或光电三极管等。 ③线性电压输出 从负载电阻对光电池输出电压电流和功率的影像图(b)中的第Ⅲ区域可见，这种工作状态在串联的负载电阻上能得到与输入光通量近似成正比的信号电压，且负载电阻增大有助于提高输出电压。但当负载电阻增大到一定临界值时，输出信号开始发生非线性畸变。为了确定负载电阻的临界条件，我们将式(15-2)展开成幂级数形式为 当 时，忽略高阶项，上式可简化为 由于 ，所以只要满足条件 就可以得到输出电流和输入光功率的线性关系 I=SΦ(15-8) 令最大线性允许光电流为I M ，相应的光通量为Φ M ，则可得到输出最大线性电压的临界负载电阻R M 为 对应于Φ max ±△Φ的输入光功率变化，负载上的电压信号变化为 (15-9) 在线性关系要求不高的情况下，可以利用图解法简单地得到临界电阻R M 的值。如下图所示，在电压轴上作临界电压U M =0.7U oc 的垂直线，与对应的伏安曲线相交于M点，这样也可以得到临界电阻的负载线。由于临界电阻R M 上的电压U M 为 U M ≈R M I M ≈0.7U oc 所以，R M 可近似计算为 (15-10) 式中，U oc 是对应Φ max 时的值，倍数0.7是经验数据。对应的输出电压变化为 (15-11) 2．可变电阻型光电检测电路 下图给出了阻值随输入光通量改变的光敏电阻的伏安特性，它是一组以输入光功率为参量的通过原点的直线簇。由图中可以看出，在一定范围内光敏电阻的阻值不随外电压改变，仅取决于输入光通量Φ或光照度E，并有 式中，G是亮电导，G p 是光电导，G d 是暗电导。 阻值随温度改变的热敏电阻也属于可变电阻型器件，其电阻值表达式为 R T =R 0 (1+α T ) 式中，R T 为温度T时的电阻，R 0 为温度T=0时的电阻，α为电阻温度系数，T为温度。当温度变化△T时，电阻的变化量△R T 为 △R T =R 0 α△T (1)简单输入电路 图(a)是最简单的光敏电阻输入电路，电路的图解计算法表示在图(b)中。由于是线性电路，所以其图解计算比较简单，在建立负载线之后，即可确定对应于输入光通量Φ 1 ～Φ 3 变化的负载电阻上的输出信号。 电路的工作状态也可以用解析法按线性电路规律计算，由图(a)有 (15-12) (15-13) 当输入光通量变化时，光敏电阻阻值变化△R，从而引起负载电流变化△I，将式(15-12)对R求微分，可得 由于G p 可以写成下列形式 G p =S g E=SΦ 所以 故 (15-14) (15-15) 式(15-14)和(15-15)给出了，由于输入光通量的变化△Φ，引起的负载电流和电压的变化量。下面讨论两种典型的工作状态： ①恒流偏置 当负载电阻比光敏电阻大得多，即R L R的情况下，式(15-12)变成 这时可以认为，负载电流与光敏电阻阻值无关，并近似保持常数，因而这种电路称为恒流偏置电路。同样道理，式(15-14)变成 (15-16) 式(15-16)表明，输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比。此外，还可以证明恒流偏置的电压信噪比比较高，因此适用于高灵敏度测量，这是它的优点。但是，由于R L 很大，为使光敏电阻正常工作，其偏置电压则需要很高(达100V以上)，这给使用带来不便。通常，可用晶体管来实现恒流偏置，如下图所示。它利用晶体管在线性工作区时集一射极等效交流电阻很大，近似于恒流特性来实现偏置。显然，由于在电路中引入了晶体管及电阻等，将给检测电路引入额外的噪声。 ②恒压偏置 当负载电阻比光敏电阻小得多，即R L R，则加在光敏电阻上的电压近似为电源电压U b ，与R无关。这种偏置称为恒压偏置。对于响应度要求不是太高，而探测器本身噪声又比较大时，一般都采用这种恒压偏置电路。这时，负载R L 上的信号电压由式(15-15)变成 △U=SU b R L ·△Φ    (15-17) 式(15-17)表明，恒压偏置的输出信号与光敏电阻的阻值无关，仅取决于S△Φ即光电导的相对变化。这样，检测电路在更换光敏电阻时，对电路初始状态就影响不大。这就是这种恒压偏置电路的优点。 (2)电桥输入电路 为避免可变电阻型器件受环境温度的影响，通常采用如下图所示的电桥电路。以热敏电阻为例，选择性能相同的两个热敏电阻 和 作电桥测量臂的电阻；普通电阻作为补偿臂电阻，外加电源电压为U b 。在无外来辐射照射时，调节补偿电阻R 2 ，可使电桥平衡。此时 R 2 = R 1 电桥输出信号为U 0 =0。当有辐射作用于热敏电阻 上时，温升△T引起电阻的改变为 =R 01 +△R 式中，R0 01 1为热敏电阻 的暗电阻。此时电桥平衡破坏，开路电压U 0 为 在弱辐射作用下，有△R R 01 +R 1 ，取R 1 =R 2 =R和R 01 =R 02 =R 0 ，其中R 02 是 的暗电阻。则上式可变为 (15-18) 由式(15-18)可见，输出电压U 0 与热敏电阻变化量△R成正比例，并与负载电阻R有关。令 则可计算出，当R=R 0 时，U 0 取最大值为 (5-19)