《電子技術應用》
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改进光电晶体管线性运行的反馈电路
摘要: 当设计者用光电晶体管将一个调制后的光信号转换成电信号时,如果有高亮度的背光使光电晶体管饱和,就会遇到麻烦。
Abstract:
Key words :

  當設計者用光電晶體管將一個調制后的光信號轉換成電信號時,如果有高亮度的背光使光電晶體管飽和,就會遇到麻煩。當光電晶體管基極端懸浮時,其集電極/射極電壓只取決于信號與背光重疊而產生的光電流。光電晶體管增益及其作用區范圍由R1阻值(見圖1)確定。R1阻值較高時,電路的增益增加,但光電晶體管會很快飽和。圖1中沒有背光照射時,晶體管工作在其線性區的偏置點f2,Q1 的集電極電壓圍繞VCE作線性變化。其輸出VOUT準確地重復使調制光信號產生幅度波動。當施加外部穩定的背光照明時,電路的工作點移至偏置點f3,輸出電壓被壓縮并出現失真。

光電晶體管增益及其作用區范圍由R1阻值確定


  光電二極管和光伏電池都只有兩根引線,而光電晶體管則不同,它的基極連接可以接一個反饋電路,以控制器件的偏置點。基極端的分流會降低集電極電流。在圖2中,光電晶體管Q1檢測照在基極區的光信號以及背光。低通有源濾波器對由背光產生的集電極電壓進行采樣,Howland 電流源通過光電晶體管反偏的集電極/基極結流出電流改變電路的偏置點。

由一個單極低通有源濾波器和一個 Howland 電流源構成的反饋電路,它從光電晶體管基極分流,以避免過強背光使光電晶體管進入飽和


  一般情況下,外界的背光照明波動要慢于所要求的信號。為簡化起見,該設計采用一種一階低通濾波器C1和R2,其截止頻率低于信號

 

頻率,以便采樣Q1的集電極電壓。在R3上加一個基準電壓(本例中為VCC)設定濾波器電路的直流工作點,使之位于光電晶體管截止電壓與飽和電壓的中點。低通濾波器的輸出驅動一個 Howland 電流源,產生一個與濾波器的輸出成正比的電流。當背光照明增強時,Q1的集電極電壓減小。Q1基極電流中減去電流源的輸出,從而提高了Q1集電極電壓,以避免進入飽和。

  根據公式AV=1+(R4/R3),R4與R3之比確定了有源低通濾波器的增益,而R5設定了電流源的跨導:GM=1/R5。改變這些電阻器可以影響來自光電晶體管基極的電流量,以及電路的工作點。光電晶體管的電容要比濾波器小得多,以保證圖2中的電路不會振蕩。但是,如果用一個二階低通濾波器代替一階低通濾波器,則需要仔細選擇電容器的容量值,以防止出現振蕩。

  用一個100W熒光燈泡照射光電晶體管,可以產生高強度的背光照明,同時還因為加上的是交流電壓而產生一個快速變化的信號。圖3為燈泡距光電晶體管40cm時Q1集電極/基極電壓,分別為反饋電路激活(圖3a),以及光電晶體管基極懸浮(圖3b)狀態。兩者的響應類似,因為光電晶體管在此時施加的光強度下并未飽和。

 

用一盞位于 40 cm 距離上的 100W 燈泡照射光電晶體管時的集電極/射極電壓,(a) 為有反饋電路,(b) 為無反饋電路。兩種情況下的偏置點都保持在線性區內


  將燈泡定位在距光電晶體管20cm處,增強了背光的強度,并使光電晶體管接近于飽和。當使用反饋時,光電晶體管產生較高幅度的信號,盡管其偏置點幾乎保持不變(圖4a)。Q1集電極的平均直流電壓大致保持與較低光強度時相同水平(圖3a)。然而,當沒有加反饋時,光電晶體管的偏置點會移近飽和區,而且幾乎檢測不到交流調制的光強度變化(圖4b)。

用一盞位于 20 cm 距離上的 100W 燈泡照射光電晶體管時的集電極/射極電壓,(a) 為有反饋電路,(b) 為無反饋電路。無反饋時電路的飽和會妨礙信號的檢測

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