题目内容
（请给出正确答案）
[单选题]
表征光电器件的灵敏度,反映光电器件输入光量与输出光电流（光电压)之间的关系。
A.光谱特性
B.光照特性
C.响应时间
D.伏安特性
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A.光谱特性
B.光照特性
C.响应时间
D.伏安特性
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第5题
光电耦合器件的特性测试
实验目的
(1)通过对光电耦合器件的参数的测试，达到进一步掌握发光二极管的特性，以及光电耦合器件的特性(输入与输出间的隔离特性，电流传输比，动态特性等)。
(2)掌握发光二极管及光电耦合器的驱动电路，达到能够使用光电耦合器的目的。
实验内容
(1)验证光电耦合器件原理，画出IF与ID关系曲线；
(2)测试光电耦合器件的隔离电阻；
(3)测试光电耦合器件的电流传输特性，求出电流传输比；
(4)测试光电耦合器件的输出特性，并绘出曲线。
实验所用仪器设备
(1)磷砷化镓发光二极管。
(2)PIN硅光电二极管2CU101A型。
(3)JT—1晶体管图示仪。
(4)光电耦合器件GD312。
(5)晶体管稳压电源。
(6)双脉冲信号发生器。
(7)0～100MHz双线示波器。
(8)晶体三极管，电阻，集成电路等元器件。
实验基本原理
在工业检测、电信号的传送处理的计算机系统中，常用继电器、脉冲变压器或复杂的电路来实现输入、输出端装置与主机之间的隔离、开关、匹配、抗干扰等功能。而继电器动作慢、有触点工作不可靠；变压器体积大、频带窄，所以它们都不是理想的部件。随着光电技术的发展，20世纪70年代以后出现了光电耦合器件。它是将发光器件(LED)和光敏器件(光敏二、三极管等)密封装在一起形成的一个电—光电器件。如下图所示。这种器件在信息的传输过程中是用光作为媒介把输入边和输出边的电信号耦合在一起的，在它的线性工作范围内，这种耦合具有线性变化关系。由于输入边和输出边仅用光来耦合，在电性能上完全是隔离的。因此，光电耦合器件的电隔离性能、线性传输性能等许多特性，都是从“光耦合”这一基本特点中引申出来的。故有的人把光电耦合器件也称为光隔离器或光耦合器。这些名称的共同点都是为了突出“光耦合”这一基本特征，这也是它区别于其他器件的根本特征。由于这种器件是一个利用光耦合做成的电信号传输器件，所以一般称为光电耦合器件。
1．传输特性
光电耦合器件的传输特性就是输入—输出间特性，它用下列几个性能参数来描述。
(1)电流传输比β
在直流工作状态下，光电耦合器件的集电极电流Ic与发光二极管的注入电流IF之比，称为光电耦合器件的电流传输比，用β表示。如下图所示的输出特性曲线，在其中部取一工作点Q，它所对应的发光电流为IFQ，对应的集电极电流为IcQ，因此该点的电流传输比为
(14-1)
如果工作点选在靠近截止区的Q1点时，虽然发光电流IF变化了△IF，但相应的△Ic1变化量却很小。这样，β值很明显地要变小。同理，当工作点选在接近饱和区Q3点时，β值也要变小。这说明工作点选择在输出特性的不同位置时，就具有不同的β值。因此，在传送小信号时，用直流传输比是不恰当的，而应当用所选工作点Q处的小信号电流传输比来计算。这种以微小变量定义的传输比称为交流电流传输比。它用β来表示。即
(14-2)
对于输出特性线性度做得比较好的光电耦合器件，β值很接近β值。在一般的线性状态使用中，都尽可能地把工作点设计在线性工作区。对于开关使用状态，由于不关心交流与直流电流传输比的差别，而且在实际使用中直流传输比又便于测量，因此通常都采用直流电流传输比β。
这里需要指出的是，光电耦合器件的电流传输比与晶体三极管的电流放大倍数都是输出与输入电流之比值，从表面上看是一样的，但它们却有本质的差别。在晶体三极管中，集电极电流Ic总是比基极电流Ib大许多倍，甚至几十、几百倍，因此把晶体三极管的输出与输入电流之比值称为电流放大倍数。而光电耦合器件的基区内，从发射极发射过来的电子是光激发出的空穴相复合而称为光复合电流，可用αIF表示，其中α是与发光二极管的发光效率、光敏三极管的光敏效率及二者之间距离有关的系数，通常称为光激发效率。而激发效率一般比较低，所以IF一般大于Ic。所以光电耦合器件在不加复合放大三极管时，其电流传输比都小于1，通常用百分数来表示。
下图示出了光电耦合器件的电流传输比β随发光电流IF的变化曲线。在IF较小时，耦合器件处于截止区，因此β值较小；当IF变大后，耦合器件处于线性工作状态，虽然IF增大，β变小，但其变化量是较小的。
下图是β随外界温度的变化曲线。在0℃以下时，β值随温度T的升高而上升；在0℃以上时，β值随T的增加而下降。
(2)输入—输出间绝缘耐压BVCFO
这是指输入与输出端之间的绝缘耐压值。一般低压使用时都能满足要求。当用于高压控制时，就要注意这一参数。由于绝缘耐压与电流传输比都与发光二极管和光敏三极管之间的距离有直接关系，当二者距离增大时，绝缘耐压提高了，但电流传输比却降低了；反之，当二者距离减小时，虽增大了β，但BVCFO却降低了。这是一对矛盾，可根据实际使用要求来挑选不同种类的光电耦合器件。如果制造工艺得到改善，可得到既具有高的β又具有高耐压的光电耦合器件。目前，北京光电器件厂生产的光电耦合器件BVVFO=500V，采用特殊的组装方式，可制造用于高压隔离线路等方面的耐压达几千伏或上万伏的光电耦合器件。
(3)输入—输出间的绝缘电阻RFC
这是输入与输出端之间的绝缘电阻，一般在109～1013Ω之间。它是与耐压密切相关的参数，它与β的关系和耐压与β的关系是一样的。
RFC的大小意味着光电耦合器件的隔离性能如何。光电耦合器件的RFC一般要比变压器原付边绕组之间的绝缘电阻大几个数量级，因此它的隔离性能要比变压器好得多。北京光电器件厂生产的RFC值一般达到1011Ω。
(4)输入一输出间的寄生电容CFC
这是输入与输出端之间的寄生电容。当CFC变大时，会使光电耦合器件的工作频率下降，也能使其共模抑制比CMRR下降，故后面的系统噪音容易反馈到前面系统中。对于一般的光电耦合器件，其CFC仅仅为几个pF，一般在中频范围内都不会影响电路的正常工作，但在高频电路中就要予以重视了。
(5)最高工作频率fM
下图给出测量光电耦合器件的频率特性的电路图。向发光二极管送入幅度相等而频率变化的交流小信号，在光电耦合器的输出端用交流电压表测其交流输出电压值。随着频率的增高，虽然输入电压幅度不变，而输出幅度却下降了，当输出电压相对幅值降至0.707时，所对应的频率就称为光电耦合器件的最高工作频率(或称截止频率)，用fM来表示。
下图示出了一个光电耦合器件的频率特性示意图。最高工作频率fM也会随着外电路负载的变化而改变，第二个图出了在不同负载电阻RC时的fM值，图中RC1＞RC2＞RC3。由图可知，当负载电阻RC减小时，fM增高。
(6)脉冲上升时间tr和下降时间tf
下图是测量脉冲响应时间的电路图。从输入端送入一个前后沿都很好的矩形脉冲(如第二个图(a)所示)，采用频率特性较高的脉冲示波器来观测输出端的波形(如图(b)所示)。由图看出，输出的波形产生了畸变。一般把脉冲前沿的0～0.9之间的时间间隔称为上升时间，用fr表示；而脉冲下降沿中介于1～0.1之间的时间间隔称为脉冲下降时间，用表示。一般来说，上升时间要大于下降时间。
最高工作频率fM、脉冲上升时间tr和下降时间ff都是衡量光电耦合器件动态特性的参数。当用光电耦合器件传送小的正弦信号或非正弦信号时，用最高工作频率fM来衡量较为方便；而当传送脉冲信号时，则用tr和tf来衡量既方便又直观。
tr与tf同fM一样，也是随着负载电阻的变化而变化的，但它们是随着负载电阻的减小而减小。
2．光电耦合器件的抗干扰特性
光电耦合器件的重要优点之一就是能强有力地抑制尖脉冲及各种噪音等的干扰，从而在传输信息中大大提高了信噪比。
光电耦合器件之所以具有很高的抗干扰能力，主要有下面几个原因。
①光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为10Ω～1kΩ；而干扰源的内阻都很大，一般为103～106Ω。按一般分压比的原理来计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声，就变得很小了。
②由于一般干扰噪声源的内阻都很大，虽然也能供给较大的干扰电压，但可供出的能量却很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器件输入端的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使是电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，不能使发光二极管发光，从而被它抑制掉了。
③光电耦合器件的输入—输出边是用光耦合的，且这种耦合又是在一个密封管壳内进行的，因而不会受到外界光的干扰。
④光电耦合器件的输入一输出间的寄生电容很小(一般为0.5～2pF)，绝缘电阻又非常大(一般为1011～1013Ω)，因而输出系统内的各种干扰噪音很难通过光电耦合器件反馈到输入系统中去。
第8题
光电探测器件频率特性与时间特性的测试
实验目的
(1)使学生进一步了解和掌握光电探测器件的响应度不仅与信号光的波长有关，而且与信号光的调制频率有关；
(2)掌握发光二极管的电流调整法；
(3)熟悉测量探测器件时间特性与频率特性的方法。
实验内容
(1)输入正弦波信号测量光电探测器件的频率特性。
(2)输入脉冲方波信号测量光电探测器件的时间特性。
(3)熟悉线路连接，掌握发光二极管的电流调整方法。
实验使用的仪器和器材
(1)信号发生器 1台
(2)双踪示波器 1台
(3)晶体管毫伏表 1台
(4)直流稳压电源 1台
(5)万用表 1只
(6)毫伏表 1只
(7)发光二极管(GaAs与可见光发光二极管)与光敏电阻、硅光电二、三极管(3DU型)各一支。
(8)普通晶体二极管1支。晶体三极管3支(3DK2支，3DG121支)。
(9)电解电容器(100μF/16V)3支，线路图中所示阻值的电阻12支。
实验原理
通常，光电探测器件输出的电信号都要在时间上落后于作用在其上的光信号，即光电探测器件的输出相对于输入的光信号要发生沿时间轴上的扩展，这种响应落后于作用信号的特性称为惰性。由于惰性的存在，会使先后作用的信号在输出端相互交叠，从而降低了信号的调制度。如果探测器观测的是随时间快速变化的物理量，则由于惰性的影响会造成输出严重畸变。因此，深入了解探测器的时间响应特性是十分必要的。
而光电探测器件的频率特性，是指该器件对交变入射光的响应能力。并且，它与器件响应的时间常数有关，时间常数越小，上限频率越高，响应时间越快。下面就介绍一下它们的原理。
1．脉冲响应
我们将响应落后于作用信号的现象称为弛豫。对于信号开始作用时的弛豫称为上升弛豫或起始弛豫；信号停止作用时的弛豫称为衰减弛豫。
这种弛豫时间的具体定义是，如果阶跃信号作用于器件，则起始弛豫定义为探测器的响应从零上升为稳定值的(1-1/e)(即63%)时所需的时间；衰减弛豫定义为信号散去后，探测器的响应下降到稳定值的1/e(即37%)所需的时间。这类探测器有光电池、光敏电阻及热电探测器等。另一种定义弛豫时间的方法是：起始弛豫为响应值从稳态值的10%上升到90%所用的时间；衰减弛豫为响应从稳态值的90%下降到10%所用的时间。这种定义多用于响应速度很快的器件，如光电二极管，雪崩光电二极管和光电倍增管等。
若光电测试器在单位阶跃信号作用下的起始阶跃响应函数为[1-exp(-t/τ1)]，衰减响应函数为exp(-t/τ2)，则根据第一种定义，起始弛豫时间为τ1，衰减弛豫时间为τ2。
此外，如果测出了光电探测器件的单位冲激响应函数，这可直接用其半值宽度来表示时间特性。为了得到具有单位冲激函数形式的信号光源，即δ函数光源，可以采用脉冲式发光二极管、锁模激光器以及火花源等光源来近似。在通常的测试中，更方便的是采用具有单位阶跃函数形式亮度分布的光源。从而得到单位阶跃响应函数，进而可确定响应时间。
2．幅频特性
由于光电探测器惰性的存在，使得其响应度不仅与入射辐射的波长有关，而且还是入射辐射调制频率的函数。这种函数关系，还与入射光强信号的波形有关。通常定义光电探测器件对正弦光信号的响应幅值同调制频率间的关系为它的幅频特性。许多光电探测器件的幅频特性具有如下形式
(5-1)
式中，A(ω)表示归一化后的幅频特性；ω=2πf为调制圆频率；f为调整频率；τ即为响应时间常数。
在实验中，可以测得探测器的输出电压U(ω)为
(5-2)
式中，U0为探测器在入射光调制频率为零时的输出电压。这样，如果测得调制频率为f1时的输出信号电压U1和调制频率为f2时的输出信号电压U2，就可由下式确定响应的时间常数
(5-3)为减小误差，U1和U2的取值应相差10%以上。
由于许多光电探测器件的幅频特性都可由式(5-1)描述，人们为了更方便地表示这种特性，引出上限截止频率fm。它的定义是当输出信号功率降至超低频一半时，即信号电压降至超低频信号电压的70.7%时的调制频率。故fm频率点又称为三分贝点或拐点。由式(5-1)可知
(5-4)
式中，时间常数τ=RLCj，其中，RL为负载电阻，Cj为光电池或光电二极管的结电容。实际上，用截止频率描述时间特性是由式(5-1)定义的τ参数的另一种形式。
3．频率特性与时间特性常用测试方式
一般，评价某一光电器件的频率特性与时间特性常分别用下面两种方式：
(1)当光器件用于接收正弦信号时，随着频率的增加，输出的光电流会减小。在输出光的相对幅值下降至零频的0.707(-3dB)时，对应的入射光交变频率就称为光电器件的最高工作频率fm(或称截止频率或上限频率)。如下图所示。
(2)当光器件用于接收方波信号时，常使用响应时间τresp来表示光电器件对入射光信号的反应速度，如下图所示。
由图可见，当入射光信号是一个矩形脉冲时，光电器件的输出波形将有延迟。响应时间τresp包括了开通延迟时间to、脉冲上升时间tr和脉冲下降时间tf。这些参数的定义(见上图)分别为：在规定的工作条件下(即一定的反向电压和一定的负载电阻值)，硅光电器件输出电脉冲对输入光脉冲的延迟称为开通延迟时间t。(即从脉冲开始点到前沿的10%计算)；输出电脉冲前沿所需的时间称为脉冲上升时间tr(即脉冲前沿幅度10%到90%所需时间)；输出电脉冲后沿所需时间为脉冲下降时间tr(即输出电脉冲的后沿幅度90%到10%所需的时间)。显然，响应时间τresp越小的光电器件，其工作截止频率越高。由式(5-4)知，对某一光电器件来说，其截止频率主要由结电容和负载电阻来决定。
实验线路
1．测定频率特性的实验线路
测定fm的实验线路如下图所示。这里使用GaAs红外发光二极管HG412作为快速光源(其截止频率为1MHz)。由光电器件手册上查出其正向压降UF=1.2V，最大工作电流为50mA，反向耐压≤4V。与发光二极管并联的普通二极管D，用来保护发光二极管不会被击穿。
2．测定时间特性的实验线路
测定响应时间τresp的实验线路如下图所示。与上图不同的是，发光二极管的驱动是一个方波脉冲。
需要说明的是，使用上述测试电路是为了使学生熟悉线路的连接。如果直接有脉冲信号源，也可采用下列简单线路。如测硅光电池等光伏型器件的时间特性可用下面图所示的线路(测光电二、三极管则需加偏压)；测光导型器件—光敏电阻时间特性可用第二个图所示线路。
