光電板與運算放大器相連的典型應用電路如右圖所示。
右圖中,Rf為反饋阻值,它的取值大小決定著電路的放大能力,亦決定著光控靈敏度。
接線時,要注意BP的正、負極性。如發覺光控療效不好,只需將光電瓶正、負極調換即可。
光電晶閘管(Photo-Diode)是由一個PN結組成的半導體元件,具有單方向導電特點。光電三極管是在反向電流作用之下工作的,在通常亮度的光線照射下,所形成的電壓叫光電流。假如在外電路上接上負載,負載上就獲得了聯通號,但是這個聯通號隨著光的變化而相應變化。
輸出電流=輸入光訊號×響應度×50Ω負載
結光電三極管是一種基本元件,功能類似于普通的訊號晶閘管,但在結半導體的用盡區吸收光時,會形成光電流。光電晶閘管是一種快速、高線性度的元件,在應用中具有高量子效率,適宜多種應用。
按照入射光確定期望的輸出電壓水平和響應度是有必要的。圖1描畫了一個結光電晶閘管模型,它由基本的獨立器件組成,這樣易于直觀地了解光電晶閘管的主要性質,更好地把握光電晶閘管的工作過程。
圖1:光電晶閘管模型
光電晶閘管相關術語
響應度
光電晶閘管的響應度可以定義為給定波長下,形成的光電流(IPD)和入射光功率(P)之比:
工作模式(光導模式和光伏模式)
光電晶閘管有兩種工作模式:光導模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。工作模式的選擇依照應用中速率和可接受暗電壓大小(漏電壓)而定。
光導模式
處于光導模式時,有一個外加的展寬,這是我們DET系列偵測器的基礎。電路中測得的電壓代表元件接受到的光照;檢測的輸出電壓與輸入光功率成反比。外加展寬促使用盡區的長度減小,響應度減小,結電容變小,響應度趨于直線。在這種條件下工作容易形成較大的暗電壓,但可以選擇光電晶閘管的材料以限制其大小。(注:我們的DET元件都是反向偏置的,不能在正向展寬下工作。)
光伏模式
光伏模式下,光電晶閘管是零偏置的。元件的電壓流動遭到限制,產生一個電流。這些工作模式借助了光伏效應,它是太陽能電板的基礎。當在光伏模式工作時,暗電壓最小。
暗電壓
暗電壓是光電晶閘管有展寬時的漏電壓。在光導模式工作時,容易出現更高的暗電壓,并與氣溫直接相關。氣溫每降低10°C,暗電壓幾乎降低一倍,氣溫每降低6°C,分流內阻減小一倍。其實,應用更大的展寬會增加結電容,但也會降低當前暗電壓的大小。
當前的暗電壓也受光電晶閘管材料和有源區規格的影響。鍺元件暗電壓很大,硅元件的暗電壓一般比鍺元件的小。下表給出了幾種光電晶閘管材料及它們相關的暗電壓,速率,響應波段和價錢。
結電容
結電容(Cj)是光電晶閘管的一個重要性質,對光電晶閘管的帶寬和響應有很大影響。須要注意的是,結區面積大的晶閘管結容積也越大電壓和電流的符號分別是什么,也擁有較大的充電電容。在反向展寬應用中,結的用盡區長度降低,會有效地降低結電容,減小響應速率。
帶寬和響應
負載內阻和光電晶閘管的電容共同限制帶寬。要得到最佳的頻度響應,一個50Ω的終端須要使用一條50Ω的同軸電纜線。帶寬(fBW)和上升時間響應(tr)可以近似用結電容(Cj)和負載內阻(Rload)表示:
噪音等效功率
噪音等效功率(NEP)是基頻等于1時形成的RMS訊號電流。它是十分有用的參數,由于NEP決定了偵測器偵測弱光的能力。通常而言,NEP隨著偵測器的有源區而減小,且可以用下式表示:
在這兒,S/N是雜訊,Δf是噪音帶寬,入射能量的單位是W/cm2
終端內阻
使用負載內阻將光電流轉換為電流(VOUT)便于在示波器上顯示:
按照光電晶閘管的類型,負載內阻影響其響應速率。為達到最大帶寬,我們建議在同軸電纜線的另一端使用50歐姆的終端內阻。其與線纜的本征阻抗相匹配,將會最小化諧振。假如帶寬不重要,您可以減小負載內阻(Rload),進而減小給定光功率下的光電壓。終端不匹配時,線纜的寬度對響應影響很大,所以我們建議使線纜越短越好。
分流內阻
分流內阻代表零展寬下光電晶閘管的結內阻。理想的光電晶閘管分流內阻無限大,但實際值可能從十歐姆到幾百兆歐不等,與其材料有關。諸如,偵測器分流內阻在10兆歐姆量級,而Ge偵測器的分流內阻在千歐量級。這會明顯影響光電晶閘管的噪音電壓。但是,在大部份應用中,大內阻幾乎不形成效應,因此可以忽視。
串聯內阻
串聯內阻是半導體材料的內阻,這個小阻值一般可以忽視。串聯內阻來自于光電晶閘管的觸點和線接頭,一般拿來確定晶閘管在零展寬下的線性度。
通用工作電路
圖2:反向展寬電路(DET系列偵測器)
如前面所示的模塊化電路DET系列偵測器。偵測器反向偏置對輸入光形成線性響應。光電流的大小與入射光大小以及波長有關,輸出端加一個負載內阻就可以在示波器上顯示。RC混頻電路的作用是濾掉輸入電源的高頻噪音,這種噪音會影響輸出端的噪音。
圖3:放大偵測器電路
也可以用光電偵測器加放大器來實現所須要的高增益。用戶可以選擇工作在光導模式和光伏模式。使用這個有源電路有幾個優勢:
光伏模式:因為運算放大器A點電勢和B點電勢相等電壓和電流的符號分別是什么,因此光電晶閘管兩端的電勢差為零伏。這樣最小化了暗電壓的可能。
光導模式:晶閘管反向偏置,于是減小了帶寬減小了結電容。偵測器的增益與反饋器件(Rf)有關。偵測器的帶寬可用下邊的多項式估算:
其中GBP是放大器增益帶寬積,CD是結電容和放大器電容之和。
移相頻度的影響
光導體訊號將保持不變,直至時間常數響應極限為止。許多偵測器(包括PbS、PbSe、(MCT)和偵測器)具有1/f的典型噪音頻譜(即,噪音隨著混頻頻度減小而降低),這會對低頻時的時間常數具有較大影響。
偵測器在低混頻頻度下會表現出較低響應度。頻度響應和偵測率對于下式最大化
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