林芳　張璐　魯秋紅　羅媛友　郭麗　游春蓮

摘 要:本文基于光電元件的時(shí)間特性測量電路,設(shè)計(jì)了時(shí)間特性測量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,并做了充分的擴(kuò)展,考慮了光強(qiáng)條件對光敏電阻時(shí)間特性的影響,負(fù)載電阻對光電元件的響應(yīng)時(shí)間影響,以及測量系統(tǒng)內(nèi)其他電路因素引起的時(shí)間問題等。該實(shí)驗(yàn)搭建成本低、元件易獲取,考察學(xué)生的動手能力,更有助于學(xué)生掌握多種光電元件的各自時(shí)間特性,因此該實(shí)驗(yàn)可為光電專業(yè)高年級本科生開設(shè)。

關(guān)鍵詞:本科實(shí)驗(yàn)時(shí)間特性教學(xué)改革

中圖分類號:TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0212-02

《光電子技術(shù)》課程是光信息科學(xué)與技術(shù)、電子專業(yè)本科生的重要的基礎(chǔ)專業(yè)課之一,通常還配備有《光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)》。理論課程教授學(xué)生光與光源的知識,并著重介紹了光電探測器的工作原理與特性參數(shù);實(shí)驗(yàn)課程使學(xué)生在光電探測方面具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)、扎實(shí)的電路設(shè)計(jì)與動手能力,可提高學(xué)生綜合素質(zhì),為電子科技創(chuàng)新提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)[1]。

現(xiàn)今大學(xué)教育注重完善本科生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室,科教儀器廠家也積極開發(fā)與課堂知識緊密相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。但是,廠家設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備追求更多的利率,設(shè)計(jì)得集成化很高,以盒子封裝,學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)僅需通過簡單地插線即可完成,因此實(shí)驗(yàn)課程的本質(zhì)動手能力就被忽略了。在本文中,我們將介紹光電元件時(shí)間特性的實(shí)驗(yàn)。在光通信等應(yīng)用領(lǐng)域,光電元件需要響應(yīng)交變信號,人們尤其需要考察不同光電元件在時(shí)間方面的響應(yīng)特性[2]。通過設(shè)計(jì)光電元件時(shí)間特性測量實(shí)驗(yàn),能夠有助于本科生掌握光電元件的時(shí)間特性知識,并考察學(xué)生多方面的實(shí)驗(yàn)動手能力、常用電子設(shè)備的使用能力。

1實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)計(jì)方案

本實(shí)驗(yàn)所需儀器包括直流電源、示波器以及信號發(fā)生器;元件需要光敏電阻、LED、紅外發(fā)光二極管、紅外光電二極管、光電三極管,以及若干電阻、面包板、導(dǎo)線與鱷魚夾等。

測量電路見圖1[3]。圖中是采用光敏電阻作為光接收元件,也可替換為光電二極管或者光電三極管。測量電路的原理是:信號發(fā)生器產(chǎn)生方波信號從而交變的光信號,光電元件接收光信號后,負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的壓降將隨光信號的交變而有所變化。

輸入的方波信號如圖2,光電元件接收后在負(fù)載電阻兩端的電壓信號可能出現(xiàn)圖2b和2c的兩種情況。其中,圖2b是指光電元件能夠響應(yīng)該頻率的光信號,能夠在響應(yīng)強(qiáng)光照而輸出高電平的平坦信號;出現(xiàn)圖2c的波形,則元件無法及時(shí)響應(yīng)交變的光信號、產(chǎn)生波形嚴(yán)重失真。這里,我們將輸出的電壓信號的最大幅值標(biāo)記為U0。對于圖2b,還包含兩個(gè)重要參數(shù):上升時(shí)間以及下降時(shí)間[3～4]。上升時(shí)間指的是負(fù)載電阻的輸出電壓由10%上升到90%所用的時(shí)間,下降時(shí)間指輸出電壓由90%下降至10%的時(shí)間。

2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與拓展思考

圖2電路可測量光敏二極管、光電二極管、光電三極管等多種元件的時(shí)間特性。由于各種元件的特性略有差別,在具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上還可以采用不同的設(shè)計(jì)與擴(kuò)展。

2.1 光敏電阻

(1)弱光照與強(qiáng)光照下,上升時(shí)間與下降時(shí)間的測量。由理論知識可知,光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間與載流子的壽命有關(guān),并且在強(qiáng)光照與弱光照條件下也不盡相同,因此這部分實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生分別在較弱的光照與較強(qiáng)光照下,測量負(fù)載電阻的輸出信號,并由此計(jì)算載流子的上升時(shí)間與下降時(shí)間。

(2)頻率特性的測量。頻率特性曲線,指的是光電元件的靈敏度隨著入射光照頻率f的變化而變化的特性。靈敏度的定義為負(fù)載電阻的輸出電壓U0與入射光照的比值,在入射光照保持不變的情況下,頻率特性曲線可簡化為輸出電壓與入射光頻率的關(guān)系。因此,本實(shí)驗(yàn)測量的是U0(f)的關(guān)系曲線。

需要注意的是,光電元件的上限截止頻率fc指的是靈敏度下降到最大靈敏度時(shí)候的0.707位置。我們可以根據(jù)測得的曲線,找到該元件的上限截止頻率,這里我們簡稱該方法為曲線測量法。另外,可采用直接測量法,通過觀察低頻時(shí)的輸出電壓,再找到衰減到0.707的輸出電壓時(shí)對應(yīng)的頻率。我們建議使用曲線測量法,因?yàn)橛汕€測定處于0.707的衰減位更加準(zhǔn)確。這里要求掌握頻率特性曲線、上限截止頻率的定義,以及如何繪制頻率特性曲線、如何測量上限截止頻率等。

2.2 光電二極管/光電三極管

(1)上升時(shí)間與下降時(shí)間的測量,以及與負(fù)載電阻的關(guān)系。由于光電二極管與光電三極管的時(shí)間特性由外電路的電路時(shí)間常數(shù)決定,因此我們需要考察選擇不同負(fù)載電阻時(shí)上升時(shí)間與下降時(shí)間的測量。測量時(shí)選擇圖1電路,但至少接入2種以上的負(fù)載電阻測量。

(2)不同負(fù)載電阻下測量頻率特性。光電二極管及光電三極管的頻率特性與負(fù)載電阻有關(guān),因此我們需要考察的是不同負(fù)載時(shí)的頻率特性?？紤]到實(shí)驗(yàn)操作量與課時(shí)安排,我們建議測量光電二極管及光電三極管的上限截止頻率與負(fù)載之間的關(guān)系曲線,選擇使用直接測量法測量上限截止頻率,并最終得到橫坐標(biāo)為負(fù)載、縱坐標(biāo)為上限截止頻率的曲線。這里要求學(xué)生深刻理解負(fù)載電阻對時(shí)間、頻率響應(yīng)特性的影響。

(3)除外電路時(shí)間常數(shù)外其他方面引起的時(shí)間特性,以及光電元件的容性估算。除了光電二極管及光電三極管容性引起的電路時(shí)間τ,根據(jù)圖1,還包括以下響應(yīng)的影響:光發(fā)射部分,包括有信號發(fā)生器連接的纜線影響,發(fā)光二極管的時(shí)間響應(yīng)特性;信號接收部分包括示波器的纜線影響的時(shí)間,示波器顯示的時(shí)間延時(shí),以及光電二極管與光電三極管自身結(jié)構(gòu)的時(shí)間影響等。如果我們將除τ時(shí)間外的其他時(shí)間總結(jié)為τo,總時(shí)間表示為τ總=τ+τo。

進(jìn)一步地,我們將電路時(shí)間寫作τ=RLC,其中RL為負(fù)載電阻并忽略電路中導(dǎo)線的電阻,C為光電二極管或者光電三極管的電容,且忽略電路中其他元件的電容性;另一方面,τ總=1/f,這里f是測量的上限截止頻率,可由實(shí)驗(yàn)測得。最終,我們得到的關(guān)系式為1/f=τ總+RLC。若改變負(fù)載電阻RL,我們可測得不同條件的fc。作圖,理想情況下fc(RL)將是一條直線,直線斜率是光電元件的電容的倒數(shù),截距是其他各種因素造成的時(shí)間影響。

這部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容讓學(xué)生理解,完整的系統(tǒng)不同電路部分都會對時(shí)間響應(yīng)造成影響,進(jìn)而使他們以全局觀考慮電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3不同元件的時(shí)間特性比較

不同元件具有不同時(shí)間特性,如光敏電阻的上限截止頻率約56Hz(與具體型號有關(guān)),其響應(yīng)時(shí)間為10ms左右;光電二極管在500Ω負(fù)載時(shí),fc為47kHz,上升時(shí)間與下降時(shí)間約為15um～19um左右;光電三極管在負(fù)載500Ω時(shí)fc為44kHz,上升時(shí)間與下降時(shí)間為20um左右。由上述數(shù)據(jù)可以看出,光敏電阻不適合用于快速的交變信號測量。另一方面,光電三極管比光電二極管響應(yīng)頻率更低一點(diǎn),這是源自三極管的自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜。最后,說明一下響應(yīng)時(shí)間的倒數(shù)與截止頻率應(yīng)該是同一量級的。

4動手操作方面的考查

本實(shí)驗(yàn)可以考查學(xué)生對信號發(fā)生器、示波器等常見設(shè)備的使用。(1)信號發(fā)生器的使用。測量中必須輸出占空比為1∶1的方波信號,否則測量的示波器輸出波形有誤;其次,信號發(fā)生器必須選擇合適的頻率驅(qū)動發(fā)光二極管,否則無法觀測到輸出信號的上升沿與下降沿。(2)示波器的使用。推薦使用示波器滿屏觀測方法。由于輸出信號的周期與示波器上顯示的輸出信號的周期必定相同,我們可將輸出信號在橫軸上調(diào)至占據(jù)10格,一個(gè)周期所對應(yīng)的時(shí)間是信號發(fā)生器顯示的頻率的倒數(shù),之后可由上升沿與下降沿占據(jù)的格數(shù)與整個(gè)周期格數(shù)相比,求得上升時(shí)間與下降時(shí)間。另外,縱軸上也將輸出電壓的幅值調(diào)至占據(jù)8格,這樣可以更容易看出10%及90%的輸出信號在橫軸對應(yīng)的位置。而且,隨著頻率增加,最大輸出信號幅度變小,利用滿屏觀測的方法也能提高測量上限截止頻率的精確度。

本文給出光電元件時(shí)間特性測量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其拓展思考。該實(shí)驗(yàn)可作為光電專業(yè)大學(xué)三年級的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),所需課時(shí)約6～8課時(shí)。開設(shè)該實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生理解光電元件時(shí)間特性的重要概念,掌握時(shí)間特性測量的基本方法。并且,學(xué)生還可以將時(shí)間特性測量的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到其他光電元件,為高頻信號接收與電路設(shè)計(jì)奠定必要的知識與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 林芳,楊意,劉丹,等.應(yīng)用物理專業(yè)光電技術(shù)課程的思考與討論[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009(12):194-195.

[2] 劉家恕,李強(qiáng),傅濤,等.測量溫度傳感器的時(shí)間響應(yīng)特性[J].物理實(shí)驗(yàn),2009(8):7-10.

[3] 江月松.光電技術(shù)與實(shí)驗(yàn)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2005.

[4] 江文杰,曾學(xué)文,施建華.光電技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2009.