光电板与运算放大器相连的典型应用电路如右图所示。
右图中,Rf为反馈阻值,它的取值大小决定着电路的放大能力,亦决定着光控灵敏度。
接线时,要注意BP的正、负极性。如发觉光控疗效不好,只需将光电瓶正、负极调换即可。
光电晶闸管(Photo-Diode)是由一个PN结组成的半导体元件,具有单方向导电特点。光电三极管是在反向电流作用之下工作的,在通常亮度的光线照射下,所形成的电压叫光电流。假如在外电路上接上负载,负载上就获得了联通号,但是这个联通号随着光的变化而相应变化。
输出电流=输入光讯号×响应度×50Ω负载
结光电三极管是一种基本元件,功能类似于普通的讯号晶闸管,但在结半导体的用尽区吸收光时,会形成光电流。光电晶闸管是一种快速、高线性度的元件,在应用中具有高量子效率,适宜多种应用。
按照入射光确定期望的输出电压水平和响应度是有必要的。图1描画了一个结光电晶闸管模型,它由基本的独立器件组成,这样易于直观地了解光电晶闸管的主要性质,更好地把握光电晶闸管的工作过程。
图1:光电晶闸管模型
光电晶闸管相关术语
响应度
光电晶闸管的响应度可以定义为给定波长下,形成的光电流(IPD)和入射光功率(P)之比:
工作模式(光导模式和光伏模式)
光电晶闸管有两种工作模式:光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。工作模式的选择依照应用中速率和可接受暗电压大小(漏电压)而定。
光导模式
处于光导模式时,有一个外加的展宽,这是我们DET系列侦测器的基础。电路中测得的电压代表元件接受到的光照;检测的输出电压与输入光功率成反比。外加展宽促使用尽区的长度减小,响应度减小,结电容变小,响应度趋于直线。在这种条件下工作容易形成较大的暗电压,但可以选择光电晶闸管的材料以限制其大小。(注:我们的DET元件都是反向偏置的,不能在正向展宽下工作。)
光伏模式
光伏模式下,光电晶闸管是零偏置的。元件的电压流动遭到限制,产生一个电流。这些工作模式借助了光伏效应,它是太阳能电板的基础。当在光伏模式工作时,暗电压最小。
暗电压
暗电压是光电晶闸管有展宽时的漏电压。在光导模式工作时,容易出现更高的暗电压,并与气温直接相关。气温每降低10°C,暗电压几乎降低一倍,气温每降低6°C,分流内阻减小一倍。其实,应用更大的展宽会增加结电容,但也会降低当前暗电压的大小。
当前的暗电压也受光电晶闸管材料和有源区规格的影响。锗元件暗电压很大,硅元件的暗电压一般比锗元件的小。下表给出了几种光电晶闸管材料及它们相关的暗电压,速率,响应波段和价钱。
结电容
结电容(Cj)是光电晶闸管的一个重要性质,对光电晶闸管的带宽和响应有很大影响。须要注意的是,结区面积大的晶闸管结容积也越大电压和电流的符号分别是什么,也拥有较大的充电电容。在反向展宽应用中,结的用尽区长度降低,会有效地降低结电容,减小响应速率。
带宽和响应
负载内阻和光电晶闸管的电容共同限制带宽。要得到最佳的频度响应,一个50Ω的终端须要使用一条50Ω的同轴电缆线。带宽(fBW)和上升时间响应(tr)可以近似用结电容(Cj)和负载内阻(Rload)表示:
噪音等效功率
噪音等效功率(NEP)是基频等于1时形成的RMS讯号电流。它是十分有用的参数,由于NEP决定了侦测器侦测弱光的能力。通常而言,NEP随着侦测器的有源区而减小,且可以用下式表示:
在这儿,S/N是杂讯,Δf是噪音带宽,入射能量的单位是W/cm2
终端内阻
使用负载内阻将光电流转换为电流(VOUT)便于在示波器上显示:
按照光电晶闸管的类型,负载内阻影响其响应速率。为达到最大带宽,我们建议在同轴电缆线的另一端使用50欧姆的终端内阻。其与线缆的本征阻抗相匹配,将会最小化谐振。假如带宽不重要,您可以减小负载内阻(Rload),进而减小给定光功率下的光电压。终端不匹配时,线缆的宽度对响应影响很大,所以我们建议使线缆越短越好。
分流内阻
分流内阻代表零展宽下光电晶闸管的结内阻。理想的光电晶闸管分流内阻无限大,但实际值可能从十欧姆到几百兆欧不等,与其材料有关。诸如,侦测器分流内阻在10兆欧姆量级,而Ge侦测器的分流内阻在千欧量级。这会明显影响光电晶闸管的噪音电压。但是,在大部份应用中,大内阻几乎不形成效应,因此可以忽视。
串联内阻
串联内阻是半导体材料的内阻,这个小阻值一般可以忽视。串联内阻来自于光电晶闸管的触点和线接头,一般拿来确定晶闸管在零展宽下的线性度。
通用工作电路
图2:反向展宽电路(DET系列侦测器)
如前面所示的模块化电路DET系列侦测器。侦测器反向偏置对输入光形成线性响应。光电流的大小与入射光大小以及波长有关,输出端加一个负载内阻就可以在示波器上显示。RC混频电路的作用是滤掉输入电源的高频噪音,这种噪音会影响输出端的噪音。
图3:放大侦测器电路
也可以用光电侦测器加放大器来实现所须要的高增益。用户可以选择工作在光导模式和光伏模式。使用这个有源电路有几个优势:
光伏模式:因为运算放大器A点电势和B点电势相等电压和电流的符号分别是什么,因此光电晶闸管两端的电势差为零伏。这样最小化了暗电压的可能。
光导模式:晶闸管反向偏置,于是减小了带宽减小了结电容。侦测器的增益与反馈器件(Rf)有关。侦测器的带宽可用下边的多项式估算:
其中GBP是放大器增益带宽积,CD是结电容和放大器电容之和。
移相频度的影响
光导体讯号将保持不变,直至时间常数响应极限为止。许多侦测器(包括PbS、PbSe、(MCT)和侦测器)具有1/f的典型噪音频谱(即,噪音随着混频频度减小而降低),这会对低频时的时间常数具有较大影响。
侦测器在低混频频度下会表现出较低响应度。频度响应和侦测率对于下式最大化
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