光电检测开关电路中的光电器件可以选用（）。

简述开关量光电耦合输入电路中，光电耦合器的作用。

B、光敏电阻

C、光电倍增管

D、光敏三极管

B、光敏电阻

C、光电倍增管

D、光敏三极管

  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Φ₀，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Φ₀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=Φ₁-Φ₂，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R₂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_MI_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=R₀(1+α_T)

  式中，R_T为温度T时的电阻，R₀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=R₀α△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Φ₁～Φ₃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_gE=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_LR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_LR，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_bR_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R₂，可使电桥平衡。此时

  R₂=R₁

  电桥输出信号为U₀=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

  =R₀₁+△R

  式中，R0₀₁1为热敏电阻的暗电阻。此时电桥平衡破坏，开路电压U₀为

  在弱辐射作用下，有△RR₀₁+R₁，取R₁=R₂=R和R₀₁=R₀₂=R₀，其中R₀₂是的暗电阻。则上式可变为

  (15-18)

  由式(15-18)可见，输出电压U₀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=R₀时，U₀取最大值为

  (5-19)

  实验目的

  (1)通过对光电倍增管典型特性参数的测量，使同学们进一步掌握光电倍增管的特性参数及其测试方法。

  (2)掌握光电倍增管的供电与输出电路，学会怎样选用倍增管及在使用倍增管时所要注意的要点与事项。

  实验内容

  (1)测量暗电流

  (2)测量放大倍数

  (3)测量阳极光照灵敏度

  实验原理

  光电倍增管主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统(光电阴极到第一个倍增极D₁之间的系统)、二次发射倍增系统及阳极等部分组成。

  下图所示为光电倍增管工作原理示意图。从图中可以看出，当光子入射到光电阴极面K上时，只要光子能量高于光电发射阈值，光电阴极就将产生电子发射。发射到真空中的电子在电场和电子光学系统的作用下，经电子限束器电极F(相当于孔径光阑)会聚并加速运动到第一倍增极D₁上，第一倍增极发射出的电子在高动能电子的作用下，将发射比入射电子数目更多的二次电子(即倍增发射电子)。第一倍增发射出的电子在第一与第二倍增之间电场的作用下高速运动到第二倍增极。同样，在第二倍增极上产生电子倍增。依次类推，经过n级倍增极倍增后，电子被放大n次。最后，被放大n次的电子被阳极收集，形成阳极电流I_a，I_a将在负载电阻R_L上产生电压降，从而形成输出电压U_o。

  下面介绍本实验涉及的特性参数。

  1．放大倍数(电流增益)

  在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流之比称为管子的放大倍数M或电流增益G。

  M(或G)= (1-1)

  式中，I_a为阳极电流；I_k为阴极电流。显然，放大倍数也可以按一定工作电压下的阳极响应度和阴极响应度的比值来确定。

  2．阳极光照灵敏度

  由阴极灵敏度，可知阳极灵敏度为

  (1-2)

  由式(1-1)，又可得阳极灵敏度为

  S_a=MS_k  (1-3)

  下图所示的是某光电倍增管阳极灵敏度和放大倍数随工作电压而变化的函数关系曲线。

  3．暗电流I_d

  光电倍增管的暗电流是指无光照时，加有电源的光电倍增管的输出电流。

  (1)引起暗电流的因素

  引起暗电流的因素有如下几点：

  ①光电阴极和第一倍增极的热电子发射。在室温下，即使无光照也会有部分电子逸出表面，并经倍增放大到达阳极成为暗电流。这是PMT的主要暗电流。

  ②极间漏电流。由于光电倍增管各级绝缘强度不够，或极间灰尘放电而引起的漏电流。

  ③离子和光的反馈作用。由于抽真空技术限制，管内总存在一些残余气体，它们被运动电子碰撞电离，这种电离的电子经放大而形成暗电流。并且，这些离子打在管壁上产生荧光，再反射至阴极而造成光反馈，也可形成暗电流。

  ④场致发射。场致发射是一种自持放电。其原因是因为电极上的尖端、棱角、粗糙边缘在高电压下(一般场强达10⁵V/cm或极间电压U_D≥200V)才发生。

  ⑤放射性同位素和宇宙射线的影响。因PMT的光窗材料含K⁴⁰(钾)，它衰变产生一种发光的β粒子；宇宙射线中的μ介子穿过窗而成为光子。它们射到光电阴极上，又可产生一种暗电流。通常，可采用一种无钾的石英窗来大大减弱这种暗电流。

  (2)减少暗电流I_d的方法

  减少暗电流I_d的方法主要是选好PMT的极间电压。有了合适的极间电压可避开光反馈、场致发射及宇宙射线等造成的不稳定状态的影响。其余还可按下述方法来减少：

  ①在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿；

  ②在倍增输出电路中加一选频或锁相放大滤掉暗电流；

  ③利用冷却法减小热电子发射等。

  实验所用仪器设备

  (1)光电倍增管 GDB-23及其供电与输出电路；

  (2)光点检流计；

  (3)光电倍增管高压直流电源；

  (4)数字电压表或万用表；

  (5)暗箱或黑布等。

  实验注意事项

  (1)光电倍增管的光电响应极高，在没有完全隔离光辐射作用的情况下，切勿对管子施加工作电压，否则会损坏阳极和最后几级倍增极。为此，一定要注意必须先检查好后，才能打开高压电源。

  (2)当I_A过大时，会使光电倍增管老化和衰老，做实验时，应控制阳极电流I_A在100μA以内。

  (3)无特殊情况不应插拔或更换倍增管。

  (4)开高压电源时，高压电源需预热2分钟，开高压前一定要对电路及光路进行检查。

  (5)实验结束后，或改换实验项目时，一定要关掉高压电源和光源，并把检流计置于“短路”位置。最后把实验装置恢复原样。

B、光敏电阻

C、光电倍增管

D、光电池

A、A.光电池

B、B.光电管

C、C.光电倍增管

D、D.光敏电阻