《光电子技术》课程是光信息科学与技术、电子专业本科生的重要的基础专业课之一, 通常还配备有《光电技术实验》。理论课程教授学生光与光源的知识, 并着重介绍了光电探测器的工作原理与特性参数;实验课程使学生在光电探测方面具有坚实的理论基础、扎实的电路设计与动手能力, 可提高学生综合素质, 为电子科技创新提供必要的技术基础[1]。
现今大学教育注重完善本科生的教学实验室, 科教仪器厂家也积极开发与课堂知识紧密相关的实验设备。但是, 厂家设计的实验设备追求更多的利率, 设计得集成化很高, 以盒子封装, 学生实验时仅需通过简单地插线即可完成, 因此实验课程的本质动手能力就被忽略了。在本文中, 我们将介绍光电元件时间特性的实验。在光通信等应用领域, 光电元件需要响应交变信号, 人们尤其需要考察不同光电元件在时间方面的响应特性[2]。通过设计光电元件时间特性测量实验, 能够有助于本科生掌握光电元件的时间特性知识, 并考察学生多方面的实验动手能力、常用电子设备的使用能力。
本实验所需仪器包括直流电源、示波器以及信号发生器;元件需要光敏电阻、LED、红外发光二极管、红外光电二极管、光电三极管, 以及若干电阻、面包板、导线与鳄鱼夹等。
测量电路见图1[3]。图中是采用光敏电阻作为光接收元件, 也可替换为光电二极管或者光电三极管。测量电路的原理是:信号发生器产生方波信号从而交变的光信号, 光电元件接收光信号后, 负载电阻R L上产生的压降将随光信号的交变而有所变化。
输入的方波信号如图2, 光电元件接收后在负载电阻两端的电压信号可能出现图2b和2c的两种情况。其中, 图2b是指光电元件能够响应该频率的光信号, 能够在响应强光照而输出高电平的平坦信号;出现图2c的波形, 则元件无法及时响应交变的光信号、产生波形严重失真。这里, 我们将输出的电压信号的最大幅值标记为U0。对于图2b, 还包含两个重要参数:上升时间以及下降时间[3~4]。上升时间指的是负载电阻的输出电压由10%上升到90%所用的时间, 下降时间指输出电压由90%下降至10%的时间。
图2电路可测量光敏二极管、光电二极管、光电三极管等多种元件的时间特性。由于各种元件的特性略有差别, 在具体的实验内容上还可以采用不同的设计与扩展。
(1) 弱光照与强光照下, 上升时间与下降时间的测量。由理论知识可知, 光敏电阻的响应时间与载流子的寿命有关, 并且在强光照与弱光照条件下也不尽相同, 因此这部分实验要求学生分别在较弱的光照与较强光照下, 测量负载电阻的输出信号, 并由此计算载流子的上升时间与下降时间。
(2) 频率特性的测量。频率特性曲线, 指的是光电元件的灵敏度随着入射光照频率f的变化而变化的特性。灵敏度的定义为负载电阻的输出电压U0与入射光照的比值, 在入射光照保持不变的情况下, 频率特性曲线可简化为输出电压与入射光频率的关系。因此, 本实验测量的是U0 (f) 的关系曲线。
需要注意的是, 光电元件的上限截止频率fc指的是灵敏度下降到最大灵敏度时候的0.707位置。我们可以根据测得的曲线, 找到该元件的上限截止频率, 这里我们简称该方法为曲线测量法。另外, 可采用直接测量法, 通过观察低频时的输出电压, 再找到衰减到0.707的输出电压时对应的频率。我们建议使用曲线测量法, 因为由曲线测定处于0.707的衰减位更加准确。这里要求掌握频率特性曲线、上限截止频率的定义, 以及如何绘制频率特性曲线、如何测量上限截止频率等。
(1) 上升时间与下降时间的测量, 以及与负载电阻的关系。由于光电二极管与光电三极管的时间特性由外电路的电路时间常数决定, 因此我们需要考察选择不同负载电阻时上升时间与下降时间的测量。测量时选择图1电路, 但至少接入2种以上的负载电阻测量。
(2) 不同负载电阻下测量频率特性。光电二极管及光电三极管的频率特性与负载电阻有关, 因此我们需要考察的是不同负载时的频率特性。考虑到实验操作量与课时安排, 我们建议测量光电二极管及光电三极管的上限截止频率与负载之间的关系曲线, 选择使用直接测量法测量上限截止频率, 并最终得到横坐标为负载、纵坐标为上限截止频率的曲线。这里要求学生深刻理解负载电阻对时间、频率响应特性的影响。
(3) 除外电路时间常数外其他方面引起的时间特性, 以及光电元件的容性估算。除了光电二极管及光电三极管容性引起的电路时间τ, 根据图1, 还包括以下响应的影响:光发射部分, 包括有信号发生器连接的缆线影响, 发光二极管的时间响应特性;信号接收部分包括示波器的缆线影响的时间, 示波器显示的时间延时, 以及光电二极管与光电三极管自身结构的时间影响等。如果我们将除τ时间外的其他时间总结为τo, 总时间表示为τ总=τ+τo。
进一步地, 我们将电路时间写作τ=RLC, 其中RL为负载电阻并忽略电路中导线的电阻, C为光电二极管或者光电三极管的电容, 且忽略电路中其他元件的电容性;另一方面, τ总=1/f, 这里f是测量的上限截止频率, 可由实验测得。最终, 我们得到的关系式为1/f=τ总+RLC。若改变负载电阻RL, 我们可测得不同条件的fc。作图, 理想情况下fc (RL) 将是一条直线, 直线斜率是光电元件的电容的倒数, 截距是其他各种因素造成的时间影响。
这部分的实验内容让学生理解, 完整的系统不同电路部分都会对时间响应造成影响, 进而使他们以全局观考虑电路系统的设计。
不同元件具有不同时间特性, 如光敏电阻的上限截止频率约56Hz (与具体型号有关) , 其响应时间为10ms左右;光电二极管在500Ω负载时, fc为47kHz, 上升时间与下降时间约为15um~19um左右;光电三极管在负载500Ω时fc为44kHz, 上升时间与下降时间为20um左右。由上述数据可以看出, 光敏电阻不适合用于快速的交变信号测量。另一方面, 光电三极管比光电二极管响应频率更低一点, 这是源自三极管的自身结构复杂。最后, 说明一下响应时间的倒数与截止频率应该是同一量级的。
本实验可以考查学生对信号发生器、示波器等常见设备的使用。 (1) 信号发生器的使用。测量中必须输出占空比为1∶1的方波信号, 否则测量的示波器输出波形有误;其次, 信号发生器必须选择合适的频率驱动发光二极管, 否则无法观测到输出信号的上升沿与下降沿。 (2) 示波器的使用。推荐使用示波器满屏观测方法。由于输出信号的周期与示波器上显示的输出信号的周期必定相同, 我们可将输出信号在横轴上调至占据10格, 一个周期所对应的时间是信号发生器显示的频率的倒数, 之后可由上升沿与下降沿占据的格数与整个周期格数相比, 求得上升时间与下降时间。另外, 纵轴上也将输出电压的幅值调至占据8格, 这样可以更容易看出10%及90%的输出信号在横轴对应的位置。而且, 随着频率增加, 最大输出信号幅度变小, 利用满屏观测的方法也能提高测量上限截止频率的精确度。
本文给出光电元件时间特性测量的实验设计及其拓展思考。该实验可作为光电专业大学三年级的设计性实验, 所需课时约6~8课时。开设该实验有助于学生理解光电元件时间特性的重要概念, 掌握时间特性测量的基本方法。并且, 学生还可以将时间特性测量的实验扩展到其他光电元件, 为高频信号接收与电路设计奠定必要的知识与实验基础。
摘要：本文基于光电元件的时间特性测量电路, 设计了时间特性测量的实验内容, 并做了充分的扩展, 考虑了光强条件对光敏电阻时间特性的影响, 负载电阻对光电元件的响应时间影响, 以及测量系统内其他电路因素引起的时间问题等。该实验搭建成本低、元件易获取, 考察学生的动手能力, 更有助于学生掌握多种光电元件的各自时间特性, 因此该实验可为光电专业高年级本科生开设。
关键词：本科实验,时间特性,教学改革
[1] 林芳, 杨意, 刘丹, 等.应用物理专业光电技术课程的思考与讨论[J].赤峰学院学报 (自然科学版) , 2009 (12) :194-195.
[2] 刘家恕, 李强, 傅涛, 等.测量温度传感器的时间响应特性[J].物理实验, 2009 (8) :7-10.
[3] 江月松.光电技术与实验[M].北京:北京理工大学出版社, 2005.
[4] 江文杰, 曾学文, 施建华.光电技术[M].北京:科学出版社, 2009.
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