光電元件時間特性測量的本科實驗及拓展

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間特性測量電路,設計了時間特性測量的實驗內容,并做了充分的擴展,考慮了光強條件對光敏電阻時間特性的影響,負載電阻對光電元件的響應時間影響,以及測量系統內其他電路因素引起的時間問題等。該實驗搭建成本低、元件易獲取,考察學生的動手能力,更有助于學生掌握多種光電元件的各自時間特性,因此該實驗可為光電專業高年級本科生開設。

關鍵詞:本科實驗時間特性教學改革

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

《光電子技術》課程是光信息科學與技術、電子專業本科生的重要的基礎專業課之一,通常還配備有《光電技術實驗》。理論課程教授學生光與光源的知識,并著重介紹了光電探測器的工作原理與特性參數;實驗課程使學生在光電探測方面具有堅實的理論基礎、扎實的電路設計與動手能力,可提高學生綜合素質,為電子科技創新提供必要的技術基礎[1]。

現今大學教育注重完善本科生的教學實驗室,科教儀器廠家也積極開發與課堂知識緊密相關的實驗設備。但是,廠家設計的實驗設備追求更多的利率,設計得集成化很高,以盒子封裝,學生實驗時僅需通過簡單地插線即可完成,因此實驗課程的本質動手能力就被忽略了。在本文中,我們將介紹光電元件時間特性的實驗。在光通信等應用領域,光電元件需要響應交變信號,人們尤其需要考察不同光電元件在時間方面的響應特性[2]。通過設計光電元件時間特性測量實驗,能夠有助于本科生掌握光電元件的時間特性知識,并考察學生多方面的實驗動手能力、常用電子設備的使用能力。

1實驗儀器及設計方案

本實驗所需儀器包括直流電源、示波器以及信號發生器;元件需要光敏電阻、LED、紅外發光二極管、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:信號發生器產生方波信號從而交變的光信號,光電元件接收光信號后,負載電阻RL上產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載電阻兩端的電壓信號可能出現圖2b和2c的兩種情況。其中,圖2b是指光電元件能夠響應該頻率的光信號,能夠在響應強光照而輸出高電平的平坦信號;出現圖2c的波形,則元件無法及時響應交變的光信號、產生波形嚴重失真。這里,我們將輸出的電壓信號的最大幅值標記為U0。對于圖2b,還包含兩個重要參數:上升時間以及下降時間[3～4]。上升時間指的是負載電阻的輸出電壓由10%上升到90%所用的時間,下降時間指輸出電壓由90%下降至10%的時間。

2實驗內容的設計與拓展思考

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間特性。由于各種元件的特性略有差別,在具體的實驗內容上還可以采用不同的設計與擴展。

2.1 光敏電阻

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

(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系。因此,本實驗測量的是U0(f)的關系曲線。

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候的0.707位置。我們可以根據測得的曲線,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,通過觀察低頻時的輸出電壓,再找到衰減到0.707的輸出電壓時對應的頻率。我們建議使用曲線測量法,因為由曲線測定處于0.707的衰減位更加準確。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)上升時間與下降時間的測量,以及與負載電阻的關系。由于光電二極管與光電三極管的時間特性由外電路的電路時間常數決定,因此我們需要考察選擇不同負載電阻時上升時間與下降時間的測量。測量時選擇圖1電路,但至少接入2種以上的負載電阻測量。

(2)不同負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載電阻有關,因此我們需要考察的是不同負載時的頻率特性。考慮到實驗操作量與課時安排,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載之間的關系曲線,選擇使用直接測量法測量上限截止頻率,并最終得到橫坐標為負載、縱坐標為上限截止頻率的曲線。這里要求學生深刻理解負載電阻對時間、頻率響應特性的影響。

(3)除外電路時間常數外其他方面引起的時間特性,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間τ,根據圖1,還包括以下響應的影響:光發射部分,包括有信號發生器連接的纜線影響,發光二極管的時間響應特性;信號接收部分包括示波器的纜線影響的時間,示波器顯示的時間延時,以及光電二極管與光電三極管自身結構的時間影響等。如果我們將除τ時間外的其他時間總結為τo,總時間表示為τ總=τ+τo。

進一步地,我們將電路時間寫作τ=RLC,其中RL為負載電阻并忽略電路中導線的電阻,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,可由實驗測得。最終,我們得到的關系式為1/f=τ總+RLC。若改變負載電阻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,截距是其他各種因素造成的時間影響。

這部分的實驗內容讓學生理解,完整的系統不同電路部分都會對時間響應造成影響,進而使他們以全局觀考慮電路系統的設計。

3不同元件的時間特性比較

不同元件具有不同時間特性,如光敏電阻的上限截止頻率約56Hz(與具體型號有關),其響應時間為10ms左右;光電二極管在500Ω負載時,fc為47kHz,上升時間與下降時間約為15um～19um左右;光電三極管在負載500Ω時fc為44kHz,上升時間與下降時間為20um左右。由上述數據可以看出,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頻率更低一點,這是源自三極管的自身結構復雜。最后,說明一下響應時間的倒數與截止頻率應該是同一量級的。

4動手操作方面的考查

本實驗可以考查學生對信號發生器、示波器等常見設備的使用。(1)信號發生器的使用。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,信號發生器必須選擇合適的頻率驅動發光二極管,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至占據10格,一個周期所對應的時間是信號發生器顯示的頻率的倒數,之后可由上升沿與下降沿占據的格數與整個周期格數相比,求得上升時間與下降時間。另外,縱軸上也將輸出電壓的幅值調至占據8格,這樣可以更容易看出10%及90%的輸出信號在橫軸對應的位置。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間特性測量的實驗設計及其拓展思考。該實驗可作為光電專業大學三年級的設計性實驗,所需課時約6～8課時。開設該實驗有助于學生理解光電元件時間特性的重要概念,掌握時間特性測量的基本方法。并且,學生還可以將時間特性測量的實驗擴展到其他光電元件,為高頻信號接收與電路設計奠定必要的知識與實驗基礎。

參考文獻

[1] 林芳,楊意,劉丹,等.應用物理專業光電技術課程的思考與討論[J].赤峰學院學報(自然科學版),2009(12):194-195.

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

[3] 江月松.光電技術與實驗[M].北京:北京理工大學出版社,2005.

[4] 江文杰,曾學文,施建華.光電技術[M].北京:科學出版社,2009.