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1、第第2章作业评讲章作业评讲怎么评就怎么讲；电感传感器测流速。光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领域中。自动控制等各个领域中。第第3章
2、章 光电传感器光电传感器 根根据据爱爱因因斯斯坦坦的的光光子子假假说说：光光是是一一粒粒一一粒粒运运动动着着的的粒粒子子流流，这这些些光光粒粒子子称称为为光光子子。每每一一个个光光子子具具有有一一定定的的能能量量其其大大小小等等于于普普朗朗克克常常数数h h乘乘以以光光的的频频率率。所所以以不不同同频频率率的的光光子子具具有有不不同同的的能能量量。光光的的频频率率越越高高，其其光光子子能能量量就就越越大大。当当具具有有一一定定能能量量的的光光子子作作用用到到某某些些物物体体上上转转化化为为该该物物体中一些电子的能量而产生电效应，这种现象称为光电效应。体中一些电子的能量而产生电效应，这种现象称为
3、光电效应。光电效应一般分为光电效应一般分为外光电效应外光电效应、光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应三类。三类。后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(或或称光敏元件称光敏元件)。一、外光电效应一、外光电效应 光光线线照照射射在在某某些些物物体体上上，而而使使电电子子从从这这些些物物体体表表面面逸逸出出的的现现象象称称为为外光电效应，也称光电子发射，逸出的电子称为光电子。外光电效应，也称光电子发射，逸出的电子称为光电子。光光照照射射在在物物体体上上可可以以看看成成一一连连串串具具有有一一定定能能量量的
4、的光光子子轰轰击击这这些些物物体体。根根据据爱爱因因斯斯坦坦假假设设：一一个个光光子子的的能能量量只只能能传传递递给给一一个个电电子子，因因此此单单个个光光子子把把全全部部能能量量传传给给物物体体中中的的一一个个自自由由电电子子。使使自自由由电电子子的的能能量量增增加加h h。这这些些能能量量一一部部分分用用作作电电子子逸逸出出物物体体表表面面的的逸逸出出功功A A，另另一一部部分分变变电电子子的的初动能。即初动能。即 1 1当当光光子子能能大大于于选选出出功功时时，才才会会有有光光电电子子发发射射出出来来，才才会会产产生生外外光光电电效效应应；当当光光子子能能量量小小于于逸逸出出功功时时，不
5、不能能产产生生外外光光电电效效应应；当当光光子子的的能能量量恰恰好好等等于于逸逸出出功功时时，光光电电子子的的初初速速度度0 0，可可以以产产生生此此光光电电子子的的单单色色光光频频率率为为0 0，则则。式式中中0 0为为该该物物质质产产生生光光电电效效应应的的最最低低频频率率，称称其其为为红红限限频频率率。显显然然，如如果果入入射射光光的的频频率率低低于于红红限限频频率率，不不论论入入射射光光的的强强度度有有多多大大，也也不不会会使使物物质质发发射射光光电电子子。而而对对于于高高于于红红限限频频率率入入射射光光，即即使使是是光线很弱也会产生光电子。光线很弱也会产生光电子。2 2当入射光的频谱
6、成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。3 3由由于于电电子子逸逸出出时时具具有有一一定定的的初初动动能能可可以以形形成成光光电电流流，为为使使光光电电流流为零需加反向电压才能使其截止。为零需加反向电压才能使其截止。二、光电导效应（内光电效应）和光生伏特效应二、光电导效应（内光电效应）和光生伏特效应 物物体体受受光光照照射射后后，其其内内部部的的原原子子释释放放出出电电子子并并不不逸逸出出物物体体表表面面，而而仍仍留留在在内内部部，使使物物体体的的电电阻阻率率发发生生变变化化或或产产生生光光电电动动势势的的现现象象称称为为内内光光电电效效应
7、应。前前者者称称为为光光电电导导效效应应，后后者者称称为为光光生生伏伏打打效效应应。半半导导体体材材料料在在光线作用下电导率增加的现象就是光电导效应。光线作用下电导率增加的现象就是光电导效应。1 1光敏电阻光敏电阻 光光敏敏电电阻阻是是一一种种用用光光电电导导材材料料制制成成的的没没有有极极性性的的光光电电元元件件，也也称称光光导导管管。它它基基于于半半导导体体光光电电导导效效应应工工作作。由由于于光光敏敏电电阻阻没没有有极极性性，工工作作时时可加直流偏压或交流电压。当无光照时，光敏电阻的阻值可加直流偏压或交流电压。当无光照时，光敏电阻的阻值(暗电阻暗电阻)很很大大。电电路路中中电电流流很很小
8、小。当当它它受受到到一一定定波波长长范范围围的的光光照照射射时时，其其阻阻值值(亮亮电电阻阻)急急剧剧减减小小，电电路路中中电电流流迅迅速速增增加加，用用电电流流表表可可以以测测量量出出电电流流。根根据据电电流流值值的的变变化化，即即可推算出照射光强的大小。可推算出照射光强的大小。暗电阻、亮电阻暗电阻、亮电阻 光敏电阻未受光照时的阻值光敏电阻未受光照时的阻值称为暗电阻，受强光照射时的阻称为暗电阻，受强光照射时的阻值称为亮电阻。暗电阻越大，亮值称为亮电阻。暗电阻越大，亮电阻越小灵敏度越高电阻越小灵敏度越高。光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 如如图图7-8,在在一一定定光光照照下下，所所加加的
9、的电电压压越越高高，电电流流越越大大；在在一一定定的的电电压作用下，入射光的照度越强，电流越大，但并不一定是线性关系。压作用下，入射光的照度越强，电流越大，但并不一定是线性关系。光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 如如图图7-10,对对于于不不同同波波长长的的光光，光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度是是不不同同的的。在在选选用用光电器件时必须充分考虑到这种特性。光电器件时必须充分考虑到这种特性。光敏电阻的响应时间和（调制）频率特性光敏电阻的响应时间和（调制）频率特性 光光电电器器件件的的响响应应时时间间反反映映它它的的动动态态特特性性。响响应应时时间间越越短短，动动态态特特性性越越好好。采采用
10、用调调制制光光的的光光电电器器件件，调调制制频频率率的的上上限限受受相相应应时时间间的的限限制制。光光敏电阻的响应时间一般为敏电阻的响应时间一般为10-110-3s,光敏二极管的响应时间约光敏二极管的响应时间约210-5s。光敏电阻的温度特性光敏电阻的温度特性 随随着着温温度度的的升升高高，光光敏敏电电阻阻的的暗暗电电阻阻和和灵灵敏敏度度都都要要下下降降，温温度度的的变变化化也也会会影影响响光光谱谱特特性性曲曲线线。硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻等等光光电电器器件件随随着着温温度度的的升升高高光光谱响应的峰值将向短波方向移动，所以红外探测器往往采取制冷措施。谱响应的峰值将向短波方向移动，所以红外
11、探测器往往采取制冷措施。2光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管光敏二极管 半半导导体体光光敏敏二二极极管管与与普普通通二二极极管管相相比比，有有许许多多共共同同，它它们们都都有有PN结结，均均属属单单向向导导电电性性的的非非线线性性元元件件。光光敏敏二二极极管管一一般般在在负负偏偏压压情情况况下下使使用用，它它的的光光照照特特性性是是线线性性的的，所所以以适合检测等方面的应用。适合检测等方面的应用。光敏二极管在无光照时，反向电阻很大，光敏二极管在无光照时，反向电阻很大，反向电流反向电流(暗电流暗电流)很小很小(处于处于载止状态载止状态)。受光照射时，结。受光照射时，结区产生
12、电子区产生电子 空穴对，在结空穴对，在结电场的作用下，电子向电场的作用下，电子向N区运区运动、空穴向动、空穴向P区运动而形成光区运动而形成光电流电流,光敏二极管的光电流光敏二极管的光电流I I与与照度之间呈线性关系。照度之间呈线性关系。光敏电阻应用实例自动照明灯光敏电阻应用实例亮光报警光敏电阻应用实例标识灯有源像素图像传感器的每个像元内部都包含一个有源单元，即包含由一个或多个晶体管组成的放大电路在像元内部先进行电荷放大再被读出到外部电路。这里，入射光子在基区及收集区被吸收而产生电子 空穴对，形成光生电压。本装置焊接无误后，将市电接至调压器的输入端，配合调压器仔细调节RP1，使继电器J在电压为2
13、40V时吸合，然后将本电路接入市电电网即可正常工作。响应时间越短，动态特性越好。温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。6V，继电器J不吸合，市电经J1常闭触点为CZ插座正常供电；由于光敏电阻没有极性，工作时可加直流偏压或交流电压。光敏二极管根据电流值的变化，即可推算出照射光强的大小。光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应三类。其特点是：当VG增加，势阱变深；对于锗管，入射光的调制频率要求在5000Hz以下，硅管的频率响应要比锗管好。当VG减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。半导体材料在光线作用下电导率增加的现象就是光电导效应。由
14、于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。光敏二极管应用光照度测量电路光敏二极管应用数字转速表 光敏三极管的结构与原理光敏三极管的结构与原理 光光敏敏三三极极管管是是一一种种相相当当于于在在基基极极和和集集电电极极之之间间接接有有光光电电二二极极管管的的普普通通三三极极管管。在在正正常常工工作作情情况况下下，此此二二极极管管应应反反向向偏偏置置。因因此此，不不管管是是P-N-P还还是是N-P-N型型光光敏敏三三极极管管，一一般般用用基基极极 集集电电极极结结作作为为受受光光结结。当当集集电电极极加加上上相相对对于于发发射射极极为为正正电电压压且且基基极极开开路路时时，基基极极 集集电电极极结
15、结处处于于反反向向偏偏压压下下，它它的的工工作作机机理理完完全全与与反反偏偏压压的的光光敏敏二二极极管管相相同同。这这里里，入入射射光光子子在在基基区区及及收收集集区区被被吸吸收收而而产产生生电电子子 空空穴穴对对，形形成成光光生生电电压压。由由此此产产生生的的光光生生电电流流由由基基极极进进入入发发射射极极，从从而而在在集集电电极极回回路路中中得得到到一一个个放放大大了了的的信信号号电电流流。因因此此，从从这这点点可可以以更更明明确确地地说说，光光敏敏三三极极管管是是一一种种相当于将基极集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。相当于将基极集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放
16、大器。电子势阱可以用来存放电子，这些电子的注入方式既可用“光注入”（光敏单元采用光注入），也可以用“电注入”（转移电荷时采用电注入）。需要指出，电荷耦合器件（CCD）并不仅限图像传感器这一种应用，它在模拟信号处理方面也有很好的应用价值。所以精密测量时,电子线路中应采取温度补偿措施,否则将会导致输出误差。当MOS电容栅压VG增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。这里，入射光子在基区及收集区被吸收而产生电子 空穴对，形成光生电压。紫光电池是把硅光电池的PN结减薄至结深为0.在选用光电器件时必须充分考虑到
17、这种特性。CMOS 则以类似 DRAM 的方式读出信号，电路简单。光敏二极管在无光照时，反向电阻很大，光电池是根据光生伏特效应制成的将光能直接转变成电能的一种器件。3m，光谱响应峰值移到600nm左右，来提高短波响应，以适应外层空间使用。CMOS图像传感器从原理可分为无源像素传感器PPS(Passive-Pixel Sensor)和有源像素传感器APS(Active-Pixel Sensor)两大类。因此把光电池作为测量元件时,应把它当做电流源的形式来使用,不宜用作电压源。当它受到一定波长范围的光照射时，其阻值(亮电阻)急剧减小，电路中电流迅速增加，用电流表可以测量出电流。在选用光电器件时必须
18、充分考虑到这种特性。同时由于该电路还具有消噪功能，因此避免了信号的失真。有源像素图像传感器的每个像元内部都包含一个有源单元，即包含由一个或多个晶体管组成的放大电路在像元内部先进行电荷放大再被读出到外部电路。光敏三极管的光谱特性光敏三极管的光谱特性 与与光光敏敏电电阻阻类类似似，光光敏敏三三极极管管也也存存在在最最佳佳灵灵敏敏度度的的峰峰值值波波长长。硅硅管管的的峰峰值值波波长长约约为为900nm，锗锗管管的的峰峰值值波波长长约约为为1500nm。由由于于锗锗管管的的暗暗电电流流比比硅硅管管大大，因因此此锗锗管管的的性性能能较较差差。故故在在可可见见光光或或探探测测赤赤热热状状态态物物体体时时，
19、一般都选用硅管；但对红外线进行探测时，则采用锗管较合适。一般都选用硅管；但对红外线进行探测时，则采用锗管较合适。光敏三极管的伏安特性光敏三极管的伏安特性 光光敏敏三三极极管管在在不不同同的的照照度度下下的的伏伏安安特特性性与与一一般般晶晶体体管管在在不不同同的的基基极极电电流流时时的的输输出出特特性性类类似似。因因此此，只只要要将将入入射射的的强强度度看看作作是是三三极极管管的的基基极极电电流流ib，就就可可将将光光敏敏三三极极管管看看成成一一般般的的晶晶体体管管。光光敏敏三三极极管管不不仅仅能能把把光光信信号号变变成电信号、而且输山的电信号较大成电信号、而且输山的电信号较大。光敏三极管的光照
20、特性光敏三极管的光照特性 光光敏敏三三极极管管的的光光照照特特性性如如图图7-24所所示示。它它给给出出了了光光敏敏三三极极管管的的输输出出电电流流I和和照照度度之之间间的的关关系系。它它们们之之间间呈呈近近似似线线性性关关系系。当当光光照照足足够够大大(几几千千勒勒克克斯斯)时时，会会出出现现饱饱和和现现象象。因因而而在在大大照照度度时时，光光敏敏三三极极管管不不能能作作线线性性转转换元件，但可以作开关元件使用。换元件，但可以作开关元件使用。光敏三极管的温度特性光敏三极管的温度特性 温温度度特特性性反反映映了了光光敏敏三三极极管管的的暗暗电电流流及及光光电电流流与与温温度度的的关关系系。从从
21、曲曲线线看看,温温度度变变化化对对光光电电流流和和暗暗电电流流都都有有影影响响,对对暗暗电电流流的的影影响响更更大大。所所以以精密测量时精密测量时,电子线路中应采取温度补偿措施电子线路中应采取温度补偿措施,否则将会导致输出误差。否则将会导致输出误差。TWH8778是开关集成电路，TO-220，5脚封装，白字，开关速度快，工作电压为：6V24V，极限电压值为30V，适合做微电流触发的电流型控制器件，代替继电器作无触点高速开关。在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。因此硒光电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度。有源像素图像传感器的每个像元内部都包含一个有源单元，即包含由一个或多个晶体管组成
22、的放大电路在像元内部先进行电荷放大再被读出到外部电路。其特点是：当VG增加，势阱变深；光敏电阻的光谱特性各单元的基本结构如右图所示，由金属、绝缘层、半导体构成。从曲线看,温度变化对光电流和暗电流都有影响,对暗电流的影响更大。(1)光电池的光谱特性因此，不管是P-N-P还是N-P-N型光敏三极管，一般用基极 集电极结作为受光结。后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(或称光敏元件)。CCD的时钟驱动、逻辑时序和信号处理等其他辅助功能难以与 CCD 集成到一块芯片上，这些功能可由 38 个芯片组合实现，同时还需要一个多通道非标准供电电压来满足特殊时钟驱动的需要；光敏三极管的（
23、调制）频率特性 光敏三极管的（调制）频率特性光敏三极管的（调制）频率特性 光光敏敏三三极极管管的的频频率率特特性性曲曲线线如如图图7-26所所示示。光光敏敏三三极极管管的的频频率率特特性性受受负负载载电电阻阻的的影影响响，减减小小负负载载电电阻阻可可以以提提高高频频率率响响应应。一一般般来来说说。光光敏敏三三极极管管的的频频率率响响应应比比光光敏敏二二极极管管差差。对对于于锗锗管管，入入射射光光的的调调制制频频率率要要求求在在5000Hz以以下下，硅硅管管的的频频率率响响应应要要比比锗锗管管好好。实实验验证证明明，光光敏敏三三极极管管的的截截止止频频率率和和它它的的基基区区厚厚度度成成反反比比
24、关关系系。如如果果要要求求截截比比频频率率高高，那那么么基基区区就就要薄；但基区变薄，光电灵敏度将降低，在制造时要适当兼顾两者。要薄；但基区变薄，光电灵敏度将降低，在制造时要适当兼顾两者。光敏三极管应用光信号控制开关电路4.光电池光电池 光光电电池池是是根根据据光光生生伏伏特特效效应应制制成成的的将将光光能能直直接接转转变变成成电电能能的的一一种种器器件件。其其种种类类繁繁多多，早早期期出出现现的的有有氧氧化化亚亚铜铜光光电电池池，因因转转换换效效率率低低已已很少使用。很少使用。目目前前应应用用较较多多的的是是硒硒光光电电池池和和硅硅光光电电池池。晒晒光光电电池池因因光光谱谱特特性性与与人人眼
25、眼视视觉觉很很相相近近，频频谱谱较较宽宽，故故多多用用于于曝曝光光表表、照照度度计计等等分分析析、测测量量仪仪器器。硅硅光光电电池池与与其其它它半半导导体体光光电电池池相相比比，不不仅仅性性能能稳稳定定，还还是是目目前前转转换换效效率率最最高高(达达到到17)的的几几乎乎接接近近理理论论极极限限的的一一种种光光电电池池。此此外外，还还有有薄薄膜膜光光电电池池、紫紫光光电电池池、异异质质结结光光电电池池等等。薄薄膜膜光光电电池池是是把把硫硫化化镉镉等等材材料料制制成成薄薄膜膜结结构构，以以减减轻轻重重量量、简简化化阵阵列列结结构构，提提高高抗抗辐辐射射能能力力和和降降低低成成本本。紫紫光光电电池
26、池是是把把硅硅光光电电池池的的PN结结减减薄薄至至结结深深为为0.20.3m，光光谱谱响响应应峰峰值值移移到到600nm左左右右，来来提提高高短短波波响响应应，以以适适应应外外层层空空间间使使用。用。异异质质结结光光电电池池利利用用不不同同禁禁带带宽宽度度的的半半导导体体材材料料做做成成异异质质PN结结，入入射射光光几几乎乎全全透透过过宽宽禁禁带带材材料料一一侧侧，而而在在结结区区窄窄禁禁带带材材料料中中被被吸吸收收，产产生生电电子子 空空穴穴对对。利利用用这这种种“窗窗口口”效效应应提提高高入入射射光光的的收收集集效效率率，以以获获得得高高于于同同质质结结硅硅光光电电池池的的转转换换效效率率
27、，理理论论上上最最大大可可达达30，但但目目前前因因工艺尚未成熟，转换效率仍低于硅光电池工艺尚未成熟，转换效率仍低于硅光电池。光光电电池池核核心心部部分分是是一一个个PN结结，一一般般做做成成面面积积较较大大的的薄薄片片状状，来来接接收收更更多多的的入入射射光光。图图7-14所所示示的的是是硒硒光光电电池池的的结结构构。制制造造工工艺艺是是：先先在在铝铝片片上上覆覆盖盖一一层层P型型硒硒，然然后后蒸蒸发发一一层层镉镉，加加热热后后生生成成N型型硒硒化化镉镉，与与原原来来P型型硒硒形形成成一一个个大大面面积积PN结结，最最后后涂涂上上半半透透明明保保护护层层，焊焊上上电电极极，铝铝片片为正极，硒
28、化锦为镉极。为正极，硒化锦为镉极。硅硅光光电电池池是是用用单单晶晶硅硅组组成成的的（目目前前也也有有非非晶晶硅硅的的产产品品）。在在一一块块N型型硅硅片片上上扩扩散散P型型杂杂质质(如如硼硼)，形形成成一一个个扩扩散散PN（P+N）结结；或或在在P型型硅硅片片扩扩散散N型型杂杂质质(如如磷磷)，形形成成N+P的的PN结结，然然后后焊焊上上两两个个电电极极。P端端为为光光电电池池正正极极，N端端为为负负极极，一一般般在在地地面面上上应应用用作作光光电电探探测测器器的的多多为为P+N型型。如如国国产产2CR型型。N+P型型硅硅光光电电池池具具有有较较强强的的抗抗辐辐射射能能力力，适适合合空空间间应
29、应用用，可作为航天的太阳能电池，如国产可作为航天的太阳能电池，如国产2DR型。型。(1)光电池的光谱特性光电池的光谱特性 硒硒光光电电池池和和硅硅光光电电他他的的光光谱谱特特性性曲曲线线如如图图7-15所所示示。从从曲曲线线上上可可以以看看出出，不不同同的的光光电电池池，光光谱谱峰峰值值的的位位置置不不同同。例例如如硅硅光光电电池池在在800nm附附近近，硒硒光光电电池池在在540nm附附近近。硅硅光光电电池池的的光光谱谱范范围围广广，在在4501100nm之之间间，硒硒光光电电池池的的光光谱谱范范围围在在340750nm之之间间。因因此此硒硒光光电电池池适适用用于于可可见见光光，常用于照度计
30、测定光的强度。常用于照度计测定光的强度。(2)光电池的光照持性光电池的光照持性 光光电电池池在在不不同同的的光光强强照照射射下下可可产产生生不不同同的的光光电电流流和和光光生生电电动动势势。从从曲曲线线可可以以看看出出,短短路路电电流流在在很很大大范范围围内内与与光光强强成成线线性性关关系系。开开路路电电压压随随光光强强变变化化是是非非线线性性的的,并并且且当当照照度度在在2000lx时时就就趋趋于于饱饱和和了了。因因此此把把光光电电池池作为测量元件时作为测量元件时,应把它当做电流源的形式来使用应把它当做电流源的形式来使用,不宜用作电压源。不宜用作电压源。(3)光电池的频率特性光电池的频率特性
31、 光光电电池池在在作作为为测测量量、计计数数、接接收收元元件件时时，常常用用交交变变光光照照射射。光光电电池池的的频频率率特特性性就就是是反反映映光光的的交交变变频频率率和和光光电电池池输输出出电电流流的的关关系系，硅硅光光电电池池有有很很高高的的频频率率响响应应，可可用用在在高高速速计计数数、有有声声电电影影等等方方面面。这这是是硅硅光光电电池池在所有光电元件中最为突出的优点。在所有光电元件中最为突出的优点。(4)光电池的温度特性光电池的温度特性 光光电电他他的的温温度度特特性性主主要要描描述述光光电电池池的的开开路路电电压压和和短短路路电电流流随随温温度度变变化化的的情情况况。由由于于它它
32、关关系系到到应应用用光光电电池池设设备备的的温温度度漂漂移移，影影响响到到测测量量精精度度或或控控制制精精度度等等主主要要指指标标，因因此此它它是是光光电电池池的的重重要要特特性性之之一一。开开路路电电压压随随温温度度升升高高而而下下降降，而而短短路路电电流流随随温温度度升升高高而而增增加加。因因此此当当光光电电池池作作测测量量元件时，在设计中应该考虑到温度的漂移，采取相应的措施来进行补偿。元件时，在设计中应该考虑到温度的漂移，采取相应的措施来进行补偿。光电池应用太阳电池充电电路TL496详细的详细的PDF文档文档光电耦合发光元件和光敏元件集成在一起三种封装：窄缝投射；反射；全封闭。主要任务：
33、隔离，检测。性能指标：电流传输比；绝缘电阻；耐压；寄生电容；最高工作频率；脉冲上升和下降时间。光电耦合光电耦合的主要特点如下：输入和输出端之间绝缘电阻一般都大于10 10，耐压一般可超过1kV，有的甚至可以达到10kV以上。由于“光”传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。光电耦合典型应用固体继电器图中所用的光电耦合器的电流传输比为20%，耐压为150V，驱动电流在820mA之间。光电耦合电话保安装置 防止电话线路被并机窃用或电话机被盗用通话 光电耦合代替音频变压器 光电耦合当输入信号Vi经三极管B
34、G1、BG2前级放大之后，驱动光电耦合器左边的LED发光，并被右边的光敏管全部吸收并转换成电信号，此信号经后级电路BG3放大，并由该管的发射极通过电容器C3后输出一个不失真的放大信号 V0。由于该电路将前后两级放大器之间完全隔离，因而杜绝了地环路可能引起的干扰。同时由于该电路还具有消噪功能，因此避免了信号的失真。整个电路的总增益可望达到20dB以上，带宽约120kHz。红外传感器红外优越性：可昼夜；无光源；于遥感热释电效应：强介电常数物质表面温度变化表面产生电荷变化，是热电效应的一种。热释电红外传感器菲涅耳透镜热释红外应用红外防盗TWH8778TWH8778是开关集成电路，TO-220，5脚封
35、装，白字，开关速度快，工作电压为：6V24V，极限电压值为30V，适合做微电流触发的电流型控制器件，代替继电器作无触点高速开关。TWH8778220V市电经C1、VD1、DW1为开关集成电路提供稳定的12V工作电压，VD3、R2和RP1构成分压采样电路。当市电电压正常时，DW2不能导通，TWH8778第脚工作电压低于1.6V，继电器J不吸合，市电经J1常闭触点为CZ插座正常供电；当市电电压高出正常置时，DW2击穿导通，TWH8778第脚电位上升到1.6V，使IC翻转，第脚输出高电平，继电器吸合，用电器供电立即切断，从而避免了因过压给用电器带来的危害。本装置焊接无误后，将市电接至调压器的输入端，
36、配合调压器仔细调节RP1，使继电器J在电压为240V时吸合，然后将本电路接入市电电网即可正常工作。过压自动保护电路3.10 图像传感器图像传感器 CCD 现现代代人人类类生生活活中中，人人们们迫迫切切需需要要获获取取信信息息，而而人人类类获获取取的的总总信信息息量量的的80以以上上是是通通过过视视觉觉器器官官得得到到的的。所所以以图图像像传传感感器器(Imaging Sensor,缩缩写写为为IS，又又称称成成像像器器件件、摄摄像像器器件件)作作为为现现代代视视觉觉信信息息获获取取的的一一种种基基础础器器件件，因因其其能能实实现现信信息息的的获获取取、转转换换和和视视觉觉功功能能的的扩扩展展(
37、光光谱谱拓拓宽宽、灵灵敏敏度度范范围围扩扩大大)，能能给给出出直直观观、真真实实、层层次次最最多多、内内容容最最丰丰富富的的可可视视图图像像信信息，所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。息，所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息光敏面上按空间分布的光强信息(可见光和非可见光可见光和非可见光)、转换为按时序串、转换为按时序串行输出的电信号行输出的电信号 视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。把空间图像
38、转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描。把空间图像转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描。50年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管(如光导摄像管、如光导摄像管、飞点扫描管等飞点扫描管等)来完成。来完成。60年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是MOS集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展，到集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展，到70年年代末期。已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛席用。代末期。已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛席用。固体图象传感器固体图象传感器(S
39、olid State Imaging Sensor 缩写为缩写为SSIS)主要主要有三大类型、一种是电荷耦合器件有三大类型、一种是电荷耦合器件(Charge Coupled Device简称简称CCD)，第二种是第二种是MOS图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(Self Scanned Photodiode Array，简称，简称SSPA)，第三种是电荷注入器件，第三种是电荷注入器件(Charge Injection Device，简称，简称CID)。目前，前两种用得比较多。目前，前两种用得比较多。同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：同电子束
40、摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：(1)全全固固体体化化，体体积积很很小小，重重量量轻轻，工工作作电电压压和和功功耗耗都都很很低低；耐耐冲冲击击性好可靠性高，寿命长。性好可靠性高，寿命长。(2)基本上不保留残象基本上不保留残象(电子束摄象管有电子束摄象管有1520的残象的残象)，无象元烧，无象元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。伤、扭曲，不受电磁干扰。(3)红红外外敏敏感感性性。硅硅的的SSPA光光谱谱响响应应：0.201.0；CCD可可作作成成红红外外敏敏感型；感型；CID主要用于光谱响应大于主要用于光谱响应大于35的红外敏感器件。的红外敏感器件。(4)象象元元尺尺寸寸的的几几何何位位置置精
41、精度度高高(优优于于1)，因因而而可可用用于于不不接接触触精精密密尺尺寸寸测量系统。测量系统。(5)视频信号与微机接口容易视频信号与微机接口容易 主主要要应应用用领领域域：小小型型化化黑黑白白/彩彩色色TV摄摄象象机机；传传真真通通讯讯系系统统；光光学学字字符符识识别别（OCR:Optical Character Recognition）；工工业业检检测测与与自自动动控控制制；医医疗疗仪仪器器；多多光光谱谱机机载载和和星星载载遥遥感感；天天文文应应用用；军事应用。军事应用。.1 CCD图像传感器图像传感器一、一、CCD器件的结构器件的结构 CCD摄像器件由光敏（光积分）单元摄像器件由光敏（光积
42、分）单元和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成，和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成，每个光敏单元对应一个象素如下图所示。每个光敏单元对应一个象素如下图所示。各单元的基本结构如右图所示，由金属、各单元的基本结构如右图所示，由金属、绝缘层、半导体构成。绝缘层、半导体构成。VG加正向偏压后在加正向偏压后在半导体内形成半导体内形成“电子势阱（耗尽区）电子势阱（耗尽区）”，势阱的深度由势阱的深度由VG的大小来控制。电子势阱的大小来控制。电子势阱可以用来存放电子，这些电子的注入方式可以用来存放电子，这些电子的注入方式既可用既可用“光注入光注入”（光敏单元采用光注入）（光敏单元采用光注入），也可以用，也可以
43、用“电注入电注入”（转移电荷时采用（转移电荷时采用电注入）。电注入）。对对于于光光敏敏单单元元，当当受受到到光光线线照照射射时时，在在光光子子的的作作用用下下，半半导导体体内内产产生生电电子子空空穴穴对对，空空穴穴被被排排斥斥，电电子子被被电电子子势势阱阱俘俘获获。这这种种光光生生电电子子作作为为反反映映光光强强的的载载体体电电荷荷包包被被收收集集，成成为为光光电电荷荷注注入入，这这就就是是CCD摄摄像像器器件件的的光光电电变变换换过过程程。势势阱阱内内电电荷荷包包的的大大小小与与光光照照强强度度和和光光照照时时间间成成正比。正比。光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读光敏
44、单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移位寄存器在读出脉冲（三相出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各或四相脉冲）的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。个像素的亮度值。光线光线 读出移位寄存器的读出移位寄存器的工作原理工作原理是依靠是依靠MOS电容与其电子势阱的存储电荷作用，电容与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当逐个势阱转移的效应。当MOS电容栅压
45、电容栅压VG增高时，在半导体内部被排斥的电荷增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储电势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当VG增加，势阱变深；当增加，势阱变深；当VG减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。对于二维对于二维CDD（面列阵）电荷的转移方式主要有（面列阵）电荷的转移方式主要有2种：种：“帧间转移式帧间转移式(FT)”；“
46、帧行间转移式帧行间转移式(FIT)”。10.3.2 CMOS图像传感器图像传感器 CMOS图像传感器从原理可分为无源像素传感器图像传感器从原理可分为无源像素传感器PPS(Passive-Pixel Sensor)和有源像素传感器和有源像素传感器APS(Active-Pixel Sensor)两大类。从结构上讲，两大类。从结构上讲，主要包括光敏二极管型无源、有源像素图像传感器和光电栅型有源像素主要包括光敏二极管型无源、有源像素图像传感器和光电栅型有源像素图像传感器。图像传感器。下下图图简简单单的的说说明明了了光光敏敏二二极极管管型型无无源源图图像像传传感感器器和和光光敏敏二二极极管管型型有有源图
47、像传感器感光单元的结构源图像传感器感光单元的结构。一、一、光敏二极管型光敏二极管型CMOS图像传感器结构图像传感器结构 在光敏二极管型无源图像传感器中，光敏二极管受光照将光子变成在光敏二极管型无源图像传感器中，光敏二极管受光照将光子变成电子，通过行选择开关将电荷读到列输出线上；在光敏二极管型有源电子，通过行选择开关将电荷读到列输出线上；在光敏二极管型有源CMOS图像传感器中，则通过复位开关和行选择开关将放大后的光生的图像传感器中，则通过复位开关和行选择开关将放大后的光生的电荷读到感光阵列外部的信号放大电路。无源像素图像传感器仅仅是一电荷读到感光阵列外部的信号放大电路。无源像素图像传感器仅仅是一
48、种具有行选择开关的光电二极管，通过控制行选择开关把光生的电荷信种具有行选择开关的光电二极管，通过控制行选择开关把光生的电荷信号传送到像素阵列外的放大器；有源像素图像传感器的每个像元内部都号传送到像素阵列外的放大器；有源像素图像传感器的每个像元内部都包含一个有源单元，即包含由一个或多个晶体管组成的放大电路在像元包含一个有源单元，即包含由一个或多个晶体管组成的放大电路在像元内部先进行电荷放大再被读出到外部电路。内部先进行电荷放大再被读出到外部电路。二、光电栅型有源像素图像二、光电栅型有源像素图像CMOS传感器传感器 光电栅型光电栅型APS CMOS像素单元像素单元框图如右图所示。像素单元包括光框图
49、如右图所示。像素单元包括光电栅电栅PG（Photogate）、浮置扩输出）、浮置扩输出FD(Flcating Diffusion)、传输电栅、传输电栅TX(Transfer Gate)、复位晶体管、复位晶体管MR(Reset Transistor)、作为源极跟、作为源极跟随器的输入晶体管随器的输入晶体管MIN、以及行晶、以及行晶体管体管MX，实际上，每个像元内部就，实际上，每个像元内部就是一个小小的表面沟道是一个小小的表面沟道CCD。每列。每列单元共用一个读出电路，它包括第单元共用一个读出电路，它包括第一源极跟随器的负载晶体管一源极跟随器的负载晶体管MLN以以及两个用于存储信号电平和复位电及两
50、个用于存储信号电平和复位电平的双采样和保持电路。这种对复平的双采样和保持电路。这种对复位和信号电平同时采样的相关双采位和信号电平同时采样的相关双采样电路样电路CDS能抑制来自像元浮置节能抑制来自像元浮置节点的复位噪声。点的复位噪声。CCD 和和 CMOS 使用相同的光敏材料，使用相同的光敏材料，因而受光后产生电子因而受光后产生电子的原理相同的原理相同,并且具有相同的灵敏度和光谱特性，但是读取过程不并且具有相同的灵敏度和光谱特性，但是读取过程不同：同：CCD 是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，整个电路非常复杂；整个电路非常复杂；C