2.4 光敏二極管傳感器

△ 光敏二極管是最重要的光電傳感器之一。它的響應速度快，入射光量與輸出電流之間的轉換線性良好，輸出電流的溫度系數比較小，性能也很穩定。光敏二極管在生產制作工藝上已趨于成熟，因而產品性能的一致性好，易于批量選用；并且光敏二極管體積小、結構堅固，因而易于安裝和使用，是目前應用最廣泛的光電傳感器件。

2.4.1 光敏二極管的構造和基本工作原理

△ 光敏二極管的內部基片材料和半導體PN結構與普通半導體二極管類似。它的管芯就是一個具有光敏感性的半導體PN結，暴露于外表面，并封裝在透明的玻璃殼內（如圖2-12所示）。

△ 光敏二極管內部的基本結構如圖2-13所示。半導體PN結安置在管芯的頂部，這個PN結在光電變換電路中一般處于反向偏壓工作狀態。PN結的上方，即外殼的頂面上有一個玻璃透鏡制成的窗口，可以使入射光能夠集中在PN結的敏感面上。

△ 光敏二極管在電路中一般處于反向偏置（如圖2-14所示）狀態，當無光照射時，反向電阻很大，與普通二極管一樣。電路中僅有很小的反向漏電流，一般為10-7～10-11A，稱為暗電流。此時相當于光敏二極管截止。

△ 光敏二極管是基于光生伏特效應工作的。當有光照射在PN結上時，PN結附近受到光子的轟擊，半導體內部被束縛的價帶電子吸收光子能量被激發而產生出光生“電子-空穴”對；使P區和N區中的少數載流子（少子）濃度大大增加，因此流過PN結的反向電流也隨著增大，這樣就形成了光電流。這個光電流是由半導體內部的“少子”載流子構成的。

△ 如果入射光強度變化，光能激發出的光生“電子-空穴”對的濃度也相應變化，流過外電路的光電流強度也就隨之變化。可見光敏二極管具有將光信號轉換為電信號輸出的能力，即具有光電轉換功能。故光敏二極管又稱為光電二極管。

2.4.2 光敏二極管的性能特點和主要參數

2.4.2.1 光敏二極管在特定情況下的電流和電壓分析

（1）有光照射時，圖2-15中（a）、（b）、（c）、（d）情況分析

由于光生伏特作用，在半導體內部產生了大量的光生自由空穴和自由電子。這時，如圖2-15（a）、（b）、（c）、（d）所示。

△ 如果PN結的兩端是開路的——兩極間就會產生光生電壓，這個電壓叫做開路電壓（U0）[如圖2-15（a）所示]。

△ 如果PN結的兩端是短路的——兩極回路里就會產生光生電流，這個電流叫做短路電流（I0）[如圖2-15（b）所示]。

△ 如果PN結兩極的回路里串聯了電阻R——回路里就會有電流IR；并且光電二極管兩端仍會有端電壓UR[如圖2-15（c）所示]。

對圖2-15（c）的情況分析如下：

●光照功率不變時，R兩端電壓UR和其中電流IR之間關系，如圖2-16中的曲線（2）的R段所示。

●當電阻R值很大時，端電壓UR，對于R的變化，顯示出恒壓特性。

●當電阻R值很小時，回路電流IR，對于R的變化，顯示出恒流特性。

●當電阻R值適中而變化時，R兩端電壓UR和回路電流IR的變化特征，就如圖2-16中（2）曲線中的R段。

△ 如果PN結加上了反向電壓EF，并串入電阻RF，[如圖2-15（d）所示]；且光照功率恒定不變；分析圖2-15（d）中，當電阻RF變化時，光電二極管中電壓、電流的狀態如下：

●調節RF，可以使PN結兩端電壓UF變為0；即

UF=EF-（IF·RF）=0

●這時RF上的壓降值就等于EF；回路電流IF也就成為短路電流I0；這時RF的值就是：

●這種情況，就如同PN結短接時的短路電流情況。如圖2-16中曲線（2）中的I0點。

●當RF再減小時，即：RF< 時，由于光生電流IF有保持恒定的趨向，因而假定：

PN結兩端電壓UF在0V附近向正、負方向微變時，回路電流IF恒定為短路電流I0；這樣則有：PN結兩端電壓UF=EF-（IF·RF）≈EF-（I0·RF）>0；即UF為正值。

亦即表明：PN結兩端電壓為外加的反向電壓狀態（與EF同向）。并且回路電流IF也為反向電流狀態。

●PN結加反向電壓時，回路電流IF主要由光能決定，因而約等于短路電流I0。

●此時光電二極管中電壓、電流的情況如圖2-16中曲線（2）中的F段。此即為：光電二極管處于加反向偏壓的工作狀態。

●當RF又增大時，即：0時，（也由于光生電流IF有繼續保持恒定的趨向，仍假定：PN結兩端電壓UF在0V附近向正、負方向微變時，回路電流IF仍恒定為短路電流I0。）則：PN結兩端電壓為UF=EF-（IF·RF）≈EF-（I0·RF）<0；故UF變為負數。

●UF變為負數即意味著PN結兩端開始產生了光生電動勢。這時PN結兩端電壓方向反轉，變為正向電壓。UF變為PN結上的光生電動勢。PN結兩端變為正向偏置；RF上的壓降值等于EF與UF同向相加。

●但這時PN結中流過的電流卻仍是反向電流。這是因為這時PN結中流過的電流相當于電源內部電流，是由負極（N區）流向正極（P區）的。

●這時，光電二極管中電壓、電流的情況就開始進入了圖2-16里曲線（2）中的R段（PN結中電壓為正向，電流卻為反向電流）。

●若電阻RF繼續增大，就如圖2-16里曲線（2）中的R段，PN結兩端的光生電壓UF也將隨之增大，回路電流IF也由恒定向減小的方向變化。

●當RF增為無窮大時，回路電流IF=0；PN結兩端的光生電壓UF即成為開路光生電壓U0，即變為UF=U0。

（2）有光照射時，圖2-15（e）的情況分析

△ 如果給光電二極管加上正向電壓EZ，[如圖2-15（e）所示]，當使EZ>U0時，EZ使光電二極管的PN結處于正向偏置，并且在正向電壓UZ作用下，PN結中流過正向電流IZ。這種情況就進入了圖2-16里曲線（2）的Z段。這時的光電二極管相當于外加電源EZ的一個負載。這種情況，只用于理論分析，實際使用中光電二極管一般不工作于這種狀態中。

（3）無光照射時，圖2-15中圖（f），（g）的情況分析

△ 無光照射時的情況如圖2-15的圖（f）和（g），其特性與普通二極管類似。

●在圖2-15的（f）圖的情況下：這時的PN結兩端，在正向電壓U的作用下，光電二極管中有正向電流Id；此時光電二極管中電壓、電流的情況如圖2-16中（1）曲線的H段。

●在圖2-15的（g）圖的情況下：這時的PN結兩端，在反向電壓US作用下，光電二極管中有反向飽和電流（Is）流過，也稱為暗電流。此時光電二極管中電壓、電流的情況如圖2-16中（1）曲線的S段。

① 無光照射時，光電二極管中的正向電流Id分析

△ 無光照射，而加正向電壓時，如圖2-15（f）所示。光電二極管中的正向電流Id與普通二極管相同：即

式中：q——電子電量（q=1.6×10-19C）；

k——玻耳茲曼常數（k=1.3807×10-2 3J/K）；

T——絕對溫度；

U——PN結的兩端在所加電壓（正向電壓時為正值）；

Is——光電二極管中的反向飽和電流的數量。

這種情況下，光電二極管中的正向電流Id和正向電壓U的關系，可參考圖2-16中（1）曲線的H段。

② 無光照射時，光電二極管中的反向飽和電流Is分析

△ 無光照射且加反向電壓時，如圖2-15（g）所示光電二極管中的反向電流仍由式（2-18）決定，只是式中U取負值（即加反向電壓）。反向電流與正向電流Id的方向相反。當U趨向于 -∞時，光電二極管中的反向電流即趨于反向飽和電流Is；這種情況下，光電二極管中的反向飽和電流Is和反向電壓-U的關系，可參考圖2-16中（1）曲線的S段。無光照射時的反向電流，也稱為暗電流。

（4）有光照射時，光電二極管的短路電流I0分析

① 光量子效率（η）

△ 先介紹一下量子效率（Quantum Efficiency）的概念。光敏元件（材料）受光照射后會發生光電效應，在材料內部激發出電子-空穴對，但并非每個超過禁帶能量（Eg）的光子都能在光敏元件中激發出電子-空穴對，而是只有一部分光子能通過激發產生光電效應使材料釋放出自由電子（光電子）。光敏器件的光量子效率，即表示光敏材料在光電效應中釋放出的自由電子數與入射的光子數之比值，用η表示。

△ 若設：單位時間內入射到光敏二極管受光面的光子數為NP，而相應激發產生出的光電子數為Ne；則這個光敏二極管的光量子效率η即為Ne與NP的比值，即

并且

式（2-20）中，P為入射光的物理輻射功率；IP為在P功率光照射下光敏二極管中產生的光電流。這樣，將式（2-20）代入式（2-19），則光敏二極管的光量子效率η又可表示為

式中：λ——入射光的波長；

h——普朗克常數（6.626×10-34J·s；）；

q——電子電量（q=1.6×10-19C）；

c——光速。

△ 不同的材料和構造的光敏器件，其光量子效率η也不相同；即使是同種材料和構造的光敏器件，用不同波長的入射光照射時，其η也不相同。圖2-17示出了不同材料的光敏器件，在不同的入射光波長照射時呈現出不同的響應度（IP/P）及其對應的光量子效率的狀況。由圖2-17中可以看出，通常情況下，硅光敏二極管的光量子效率η在其峰值波長附近約為75%～90%，鍺光敏二極管的光量子效率在其峰值波長附近約為40%～50%，InGaAs光敏二極管的光量子效率在其峰值波長附近約為70%～85%。

② 光電二極管中的光電流IP與入射光功率P的關系

△ 由式（2-21）可以看出，光生電流IP和入射光功率P的關系可以表示為

由式（2-22）又可以看出，在入射光的波長（光源）和光敏器件（材料）一定時可以看成一個常數，并且，即為光電二極管傳感器的響應度SW。因此，可以令

將響應度SW代入式（2-22），這樣，在光電二極管中由光生伏特效應產生的光電流IP可寫為

△ 式（2-24）表明：在光電二極管的PN結上，由光生伏特效應產生的光電流IP與入射光的輻射功率P成正比。因此，光電二極管的入射光功率與輸出電流之間的變換關系具有良好的線性。

③ 光電二極管中的短路光電流I0與入射光功率P的關系

△ 圖2-15（b）的情況相當于光電二極管PN結中光電流IP的一種特殊情況，即PN結兩端短路時的情況。這時的光電流IP就是短路光電流I0；當光照功率為P時，由于IP=I0；式（2-24）可以表示為

△ 由式（2-25）可見：在光電二極管的PN結上，由光生伏特效應產生的短路電流I0與入射光的輻射功率P成正比。也因此，光電二極管的入射光功率P與短路光電流之間具有良好的線性關系。在有光照射的情況下，光電二極管中的短路電流I0，可參考圖2-16中（2）曲線的U=0時的情況（I0點）。

（5）有光照射時，光電二極管的開路電壓U0

△ 有光照射，且PN結兩端開路時的情況如圖2-15（a）所示；PN結兩端的光生伏特電壓為U0，如圖2-16中曲線（2）中的I=0時的情況（U0點）。

△ 在圖2-16里的曲線（2）中：

●PN結中電流I=0的情況，可以認為其意味著：由光生伏特電壓U0產生的正向電流Id，恰與光生電流I0的方向相反，因而相互平衡，抵消掉了。即有

●又根據式（2-18）PN結基本關系式，可知PN結兩端開路，PN結中電流I=0時，如下關系成立

整理式（2-27），并取以e為底的對數可得

△ 當s時，式（2-28）可寫為

△ 由式（2-25），將I0=SW·P代入式（2-29），可得光生伏特電壓U0與輸入光功率P的關系，即

由此可見，PN結兩端開路時，光電二極管兩端的光生伏特電壓U0與輸入光功率P的對數成正比。

△ 由式（2-30）也可以看出，U0受溫度的影響較大。除了式（2-30）中的溫度T因素之外，式中的反向飽和電流Is也與溫度T有關。在Si光敏二極管的情況下，光生伏特電壓U0的溫度系數與普通的Si二極管的正向端電壓的溫度系數相同，都約為-2mV/℃；這大約是短路光電流I0溫度系數的10倍以上。因此，光生伏特電壓U0僅在精度要求不高的場合才能作為傳感器的輸出信號使用，多數場合都使用光電流量作為光電二極管傳感器的輸出信號。

（6）當輸入光功率P變化時，光敏二極管特性曲線的變化

△ 當光照功率P增強時，圖2-18中的曲線（2）將向下平移。由式（2-25）可知I0=SW·P；所以光電流I0會隨著光照功率P的增強而線性增強。當光照功率P等量增加時，曲線（2）也等間隔下移，如圖2-18所示情況。

△ 當光照功率P增強時，由式（2-30）可知，光敏二極管的正向開路電壓（光生電壓）U0與光照功率P的對數成正比，這種關系也反映在圖2-18中。表現為當光照功率P線性增加時，曲線（2）在線性下移，但正向開路電壓U0卻沿橫軸（U）方向變化不大的特征。

（7）對圖2-16中的曲線（2）中的R段情況的歸納：

△ 以圖2-15（c）和（d）為背景，在光電二極管PN結兩極回路里串聯了電阻R，并接受光照時的情況下，電阻R上會同時有光生電流IR和光生端電壓UR存在。當光照功率固定不變時，回路中串接的電阻R兩端的電壓UR和其中電流IR之間關系，就如圖2-16里曲線（2）中的R段所示：

●當電阻R值很大時：端電壓UR對于電阻值R的變化，顯示出近似恒壓的特性。

●當電阻R值很小時：回路電流IR對于電阻值R的變化，顯示出近似恒流特性。

●當電阻R值適中變化，而回路中又未加入反向電壓時：電阻R兩端電壓UR和回路電流IR的變化特征，就如圖2-16中（2）曲線中的R段的特征。

●當回路中加入反向電壓時EF時：當回路中串接的電阻RF>EF/I0時，PN結兩端便開始產生了光生電動勢，PN結變為正向偏置。這樣也同樣是進入了圖2-16里曲線（2）中的R段。若電阻RF繼續增大，PN結兩端的光生電壓也將隨之增大，回路電流也向減小的方向變化，當電阻RF增至無窮大時，PN結兩端的光生電壓即增為開路電壓U0；這個過程仍然是在R段中變化的。

2.4.2.2 光敏二極管的特性和主要參數

△ 主要以Si平面型光電二極管BS500B（日本夏普）為例，說明光電二極管的有關特性參數。BS500的外形及引腳圖示于圖2-19中，其特征參數如下。

型號： BS500B；

結構： Si-平面型；

短路電流： 0.55μA/100lx；

暗電流： 10pA（max）/（1V反壓）；

結電容： 600～1000pF/（0V反壓）；

峰值波長： nm；

有效受光面積：5.34mm2；

帶有視覺靈敏度修正濾光鏡。

（1）典型光電二極管的短路電流-光照度特性

△ 光電二極管BS500B的基本特性：

BS500B的短路電流-光照度特性，即為這種光電傳感器的基本特性。

圖2-20為BS500B的短路電流-光照度特性，可以看出，這種光敏二極管傳感器在非常寬的照度范圍里，其基本特性都具有良好的線性。

△ 由于BS500B的基本特性在全量程范圍里保持良好的線性，所以其基本參數中的100lx照度下的短路電流值，即可認為是這種光電傳感器的光照度靈敏度。即

Slx=0.55μA/100lx

△ 光電二極管短路電流的大小，由光電二極管傳感器的內部結構決定。它與光敏二極管感光部位的有效面積成正比，有效面積越大短路電流也越大；但同時無光照時的暗電流也增大。

（2）光敏二極管短路電流的溫度特性

△ 圖2-21示出了BS500B短路電流的溫度特性。光敏二極管傳感器的短路光電流也是隨環境溫度而有微小改變的。溫度上升，短路光電流也隨之均勻增大。

△ 由圖2-21可以看出，光敏二極管短路電流的溫度系數很小，僅為+0.02%/℃；比光生電壓U0的溫度系數低10以上。因此，在要求高精度、高穩定度的場合，應盡量選取光敏二極管的光電流作為傳感器的輸出量使用。

（3）光敏二極管的暗電流與反向電壓的關系特性

△ 光敏二極管在無光照時，在所加反向電壓作用下，仍會有反向電流流過。這種電流的數值很小，稱為暗電流。暗電流值是光敏二極管傳感器的重要參數之一，它會影響光敏二極管的光電變換質量和工作穩定性，因此希望它數值越小越好。

△BS500B光敏二極管的標稱暗電流值為10pA（max）/（1V反壓）。暗電流的大小，還與環境溫度及光敏二極管上所加反向電壓的大小有關。圖2-22示出了BS500B光敏二極管的暗電流與環境溫度及所加反向電壓數值的關系。由特性曲線圖可以看出，光敏傳感器自體的溫度越高、或反向電壓越大，其暗電流也越大。

△ 如果把Si光敏二極管的暗電流與GaAsP光敏二極管的暗電流比較一下，會發現由于GaAsP光敏二極管的禁帶寬度（Eg）比Si光敏二極管要大，因此GaAsP光敏二極管可以獲得比Si光敏二極管更小的暗電流。一般情況下GaAsP光敏二極管的暗電流大約只有Si光敏二極管的1/10左右。在要求暗電流小、溫度穩定性高的場合，可考慮采用GaAsP光敏二極管。

（4）光敏二極管的光譜靈敏度特性

△ 多數Si光敏二極管的光譜靈敏度特性如圖2-23的曲線①所示。一般的Si光敏二極管，在800～900nm的波長范圍里存在著最大光譜靈敏度峰值。由式（2-6）可知，Si材料的臨界波長λ0為1119n m，圖2-23的曲線①反映出了Si材料臨界波長及光電流響應的起始位置，波長大于1119nm的光將不能在Si中產生光電效應。

△ 由于測定工作是在入射光總能量保持恒定的條件下進行的，當波長更短的光入射時，每個光子能量增大了，但光子的總數量便減少了；并且，在短波長的入射光中，有些光子不能被Si材料吸收，未能產生光電效應而透射出去了，光量子效率η降低了。因此，在波長更短的區域中，光敏器件的相對靈敏度也會降低，形成如圖2-23曲線那樣的光譜響應特性。

△GaAsP光敏二極管的相對光譜靈敏度特性，如圖2-23的曲線②所示。GaAsP的禁帶寬度（Eg）比Si的禁帶寬度更大，即GaAsP光敏二極管產生光電效應的臨界波長更短一些，因此GaAsP光敏二極管的光譜靈敏度曲線會較Si材料向波長更短的可見光一側移動一些。

△GaAsP光敏二極管的相對光譜靈敏度的峰值波長及響應區域基本上處于可見光的范圍里，并且與人眼視敏特性的范圍類似，因而可以直接用于檢測可見光照度，而不需要外加紅外光濾除鏡。

（5）裝有視覺校正濾鏡的光敏二極管的光譜靈敏度特性

△ 由于Si光敏二極管的光譜響應特性除含有可見光區外，還包含有紅外區域，并且其峰值波長也與人眼的視敏特性相差較多，因而有些用于檢測可見光的Si光敏傳感器，需要在其外殼的窗口上加裝光譜修飾濾鏡，用來濾除紅外光并修飾其光譜響應特性。

△ 夏普的BS500光敏傳感器就安裝有視覺靈敏度校正濾鏡。其修飾后的相對光譜靈敏度特性如圖2-24所示。Si光敏二極管加裝了視覺靈敏度校正濾鏡后，可把普通Si光敏二極管光譜響應特性修正到可見光譜范圍里，并使其相對光譜靈敏度特性曲線形狀與視敏函數曲線相近似。這樣便可以使光敏二極管的光譜響應靈敏度與人眼的視覺特性相接近，使光敏傳感器輸出的電信號值與人眼感覺到的亮度情況較為一致，并在可見光照度范圍內保持良好的線性。

（6）光敏二極管傳感器的響應速度

△ 光敏二極管傳感器的響應速度主要由二極管內部PN結的結電容Cj及負載電阻RL決定。PN結接合面的電容量（Cj）會明顯影響光敏二極管的頻率響應上限和光脈沖響應的上升時間（tR）及下降時間（tF）；如圖2-25所示。

△ 光敏二極管傳感器頻率響應特性的-3dB截止頻率限ft可用下式表示

如圖2-25所示，設光敏二極管傳感器響應的時間常數CjRL=τ；并設光脈沖發生時刻為t0，從光電二極管的響應值上升到穩態值的10 %起，至響應達到穩態值的90 %所經歷的時間為上升時間tR；則一般情況下

在通常情況下，下降時間tF≈tR；由式（2-31）和式（2-32）可以看出，光敏二極管的結電容Cj值會直接影響傳感器的動態響應速度。對于要求高速動作的場合，應選用結電容Cj小的光敏二極管傳感器，或設法減小結電容Cj的數值。

△ 設法增大PN結兩側耗盡層的寬度，也就是相當于拉寬了PN結電容兩極板的間距，可以減小結電容Cj的數值，有助于提高光敏二極管的頻寬上限，提高響應速度。圖2-26示出了幾種典型的光敏二極管的結電容Cj與所加反向電壓之間的關系。由圖可見，光敏二極管的結電容Cj與光敏二極管的有效受光面積和所加的反向電壓有關。一般情況下，有效受光面積大的光敏二極管受光靈敏度較高，但其結電容Cj也大，響應速度相對較慢。并且光敏二極管PN結上所加的反向電壓越大，結電容Cj就越小，這是因為PN結上所加的反向電壓越大，PN結兩側的空間電荷區就越寬，這樣就相當于增大了PN結電容的等效介質的厚度，使結電容隨反向電壓的增大而減小。

△ 由此可知，在要求高速響應的場合，應給光敏二極管加上一定的反向電壓來使用，以減小Cj對傳感器動態響應特性的影響；但由圖2-22又可知道當反向電壓增大時，光敏二極管的暗電流也會隨之增大。因此給光電二極管加反向偏壓時應全面考慮，設置一個合適的反向電壓值來兼顧響應速度和暗電流兩方面的性能要求。

△ 由式（2-31）和式（2-32）可知，當光敏二極管的結電容Cj一定后，其動態響應特性就由回路中的負載電阻RL決定。圖2-27示出了BS500B所連接的負載電阻RL與其光脈沖響應上升時間（tR）之間的關系。BS500B在零反壓時的結電容約為600～1000pF，屬于結電容偏大的低速動作型光電傳感器。從圖2-27可以看出，負載電阻RL越大，響應時間（tR）越長，動作越慢。減小RL就可以縮短響應時間，提高傳感器的工作速度。但RL太小又會使傳感器的檢測輸出電壓變小，降低傳感器的檢測靈敏度，因此使用時也應全面考慮，選擇一個合適的負載電阻值，兼顧響應速度和靈敏度。圖2-28示出了使用BS500B的光脈沖響應測試電路原理圖圖（a）和對應的光脈沖的響應情況圖（b）。

2.4.3 光電二極管的應用電路

2.4.3.1 光電二極管的基本使用方法

（1）基本連接電路

△ 圖2-29示出了光電二極管的基本使用電路，光電二極管處于反向偏置狀態。光電流IP基本上正比于入射光的輻射功率，因而輸出電壓U0也基本上正比于入射光輻射功率。電路中，若提高反向偏壓E，可提高響應速度（減小結電容Cj），但也會使暗電流增大；減小負載電阻RL也可以提高響應速度（減小tR），但輸出電壓U0也會降低。

（2）射極跟隨輸出受光電路

△ 圖2-30示出了光電二極管與晶體管組成的射極輸出電路，這種方式是光電二極管常用的傳感輸出電路。這種電路的輸入阻抗高，輸出信號與輸入光信號的相位相同。射極跟隨電路無電壓放大作用，但輸出阻抗小，具有電流放大作用。易于與前端的傳感器及后級信號處理電路阻抗匹配，適用于輸出脈沖光信號和模擬光信號。

△ 射極跟隨受光電路（圖2-30）的輸出阻抗r0由晶體管Q的β值及輸入阻抗rbe值、以及發射極電阻Re決定。在不考慮負載時，圖2-30電路的輸出阻抗r0由式（2-33）決定。輸出阻抗

可見，射極跟隨受光電路的輸出阻抗是較低的。并且晶體管的β值越大，輸出阻抗越低，電流放大作用也就越強。

△ 射極跟隨受光電路（圖2-30）的輸入阻抗ri，主要由晶體管Q的β參數、輸入阻抗rbe，以及射極電阻Re決定；此外光電器件的串聯電阻RB值和射極輸出電路所帶的負載情況也會影響到整個電路的輸入電阻。在不考慮RB及負載時，圖2-30電路的輸入阻抗ri由式（2-34）決定。輸入阻抗

△ 電阻RB相當于晶體管Q輸入回路中的一個分流電阻，減小RB可以分流一部分光電流，有利于減小暗電流。但RB太小會帶來光電流損失，影響受光靈敏度。

（3）光電二極管與晶體管組成集電極輸出電路

△ 圖2-31為常用的電壓負反饋型集電極輸出受光電路。輸出信號與輸入光信號的相位相反。電路有一定的電壓放大作用，適用于對脈沖光入射信號進行放大和輸出。

（4）光電二極管與運算放大器組合使用電路

△ 圖2-32（a）電路中，光電二極管基本上工作于無反壓狀態。以k點為虛地點，則有U0/Rf=IP；輸出電壓U0為

反饋電阻Rf可用于調整放大倍數，輸出電壓U0正比于光電流IP；這種電路可用于放大和輸出脈沖光信號和模擬光信號。也適用于測量寬范圍的入射光量，如用于照度計的受光電路等。但響應速度不如加反向偏置電壓的受光電路。

△ 圖2-32（b）為光電二極管加反向偏壓方式，其光電響應速度有所提高。由于運算放大器使用了同相輸入方式，輸出信號與輸入光信號相位相同。設圖2-32（b）中k點為虛地，且k、p兩點電位十分接近；并且假定運算放大器的輸入阻抗無窮大，則有

且

也是由于k、p兩點電位十分接近，所以可以有

由于I相等的關系，有式（2-36）與式（2-38）相等；即

所以，圖2-32（b）中輸出電壓U0與輸入光電流IP的關系為

△ 由式（2-40）可以看出，圖2-32（b）電路中：

●輸出電壓U0與輸入光電流IP成線性關系。

●增大電阻RL，可以提高受光靈敏度；但分流作用也降低，暗電流也會隨之增大。

●調節Rf與RB的比值，可以調節放大倍數，改變輸出電壓值。

（5）對數輸出型光電二極管受光電路

△ 使用光電二極管與普通二極管及運算放大器組合，可以實現對數壓縮型光電信號輸出電路。圖2-33示出了這種對數壓縮型輸出電路的基本形式。使用對數規律放大輸出光電變換信號，可以使寬范圍變化的輸入光信號能夠按對數的規律壓縮后輸出，這樣可以展寬對光信息的量程范圍。此外，圖2-33電路中，光電二極管未加反向偏壓，暗電流小，可感受更低的光照度變化。這種放大輸出形式常在對數型照度計中使用。

△ 圖2-33中，以k點為虛地，輸出電壓VOUT=VD；由式（2-30）可知二極管Dlog兩端的電壓VD為

式中：IP——流過二極管Dlog的正向電流，也是流過光電二極管DP的光電流；

P——入射光的物理輻射功率；

Is——二極管Dlog的反向飽和電流。

由式（2-41）可見，二極管Dlog將光電流IP的變化轉化為依對數規律變化的端電壓VD，并且VD又與入射光的物理輻射功率P的對數成正比。這樣就實現了電路的輸出電壓VOUT與光電流IP和入射光的物理輻射功率P的對數成正比的光電變換特性。

△ 利用普通二極管的對數型電流-電壓特性，用二極管Dlog代替線性運放電路中的反饋電阻Rf，二極管Dlog兩端的電壓VD即成為IP的對數函數。圖2-34示出了使用線性反饋電阻Rf時及使用二極管Dlog時運算放大器的輸出特性對比。可以看出電路的輸出特性由直線型增長變為了對數壓縮型。

2.4.3.2 用光電二極管做照度計

△ 光敏二極管的應用之一是做照度計。用來制作照度計使用的光敏二極管，其光譜靈敏度曲線必須符合標準相對視敏函數曲線，并應具有良好的光電變換線性和合適的指向性。由圖2-20和圖2-24可知，帶有視覺校正濾鏡的BS500B的輸出電流與光照度成正比，并基本合乎視敏特性。

△ 圖2-35是一個照度計電路。使用普通運算放大器LF411和BS500B光敏二極管組成了光電變換和線性放大輸出電路。BS500B的光照度靈敏度為0.55μA/100lx，即Slx=5.5×10-3μA/1lx。

△ 設圖2-35中k點為虛地，且k、p兩點電位十分接近；并且假定運算放大器A1的輸入阻抗無窮大，則電路的輸出電壓可表示為

VOUT=Rf·IP=5.5×10-3·Rf（mV/lx）

Rf為運算放大器A 1的反饋電阻，Rf=R1+RV 1，取Rf=180k Ω；則可以得到輸出電壓：

VOUT=5.5×10-3μA×180kΩ=1mV/1lx；

此即表明光電傳感器輸出電路有1mV/1lx的照度-電壓變換靈敏度。

△ 調整電位器RV1，可以補償由于元件參數的離散性而引起的照度-電壓變換靈敏度誤差。電容C1的作用是對周圍電燈光等明暗波動變化的閃爍光進行平均化，使電路的輸出電壓不產生波動。

△ 照度計的最低照度特性由BS500B的暗電流最大值決定。已知BS500B的光電流隨照度線性變化，并且其暗電流的最大值為10pA，其對應的最小照度值Emin為

這個數值已足夠小，照度計的最低照度標準可以比Emin值略高。

△ 現將照度計的最低照度標準設計為0.0025lx；則：最低照度Emin=0.0025lx時，對應的最小輸出電壓為

（VOUT）min=l（mV/lx）×0.0025lx=0.0025（mV）

△ 由于BS5000的動態范圍可以達到118dB；設電路輸入信號的動態倍數為KP，則有：20log（KP）=118；

亦即電路輸入信號的動態倍數：KP=10（118/20）≈8×105倍；

這樣，可測量的最高照度為：Emax=0.0025lx×8×105=2000lx；

對應此最高照度（Emax）的最大輸出電壓（VOUT）max為

（VOUT）max=lmV/lx×2000lx=2000（mV）

所以這個照度計可測光量的范圍為0.0025～2000lx；與之對應的電信號輸出電壓為0.0025mV～2V范圍。