2.4 光敏二极管传感器

△ 光敏二极管是最重要的光电传感器之一。它的响应速度快，入射光量与输出电流之间的转换线性良好，输出电流的温度系数比较小，性能也很稳定。光敏二极管在生产制作工艺上已趋于成熟，因而产品性能的一致性好，易于批量选用；并且光敏二极管体积小、结构坚固，因而易于安装和使用，是目前应用最广泛的光电传感器件。

2.4.1 光敏二极管的构造和基本工作原理

△ 光敏二极管的内部基片材料和半导体PN结构与普通半导体二极管类似。它的管芯就是一个具有光敏感性的半导体PN结，暴露于外表面，并封装在透明的玻璃壳内（如图2-12所示）。

△ 光敏二极管内部的基本结构如图2-13所示。半导体PN结安置在管芯的顶部，这个PN结在光电变换电路中一般处于反向偏压工作状态。PN结的上方，即外壳的顶面上有一个玻璃透镜制成的窗口，可以使入射光能够集中在PN结的敏感面上。

△ 光敏二极管在电路中一般处于反向偏置（如图2-14所示）状态，当无光照射时，反向电阻很大，与普通二极管一样。电路中仅有很小的反向漏电流，一般为10-7～10-11A，称为暗电流。此时相当于光敏二极管截止。

△ 光敏二极管是基于光生伏特效应工作的。当有光照射在PN结上时，PN结附近受到光子的轰击，半导体内部被束缚的价带电子吸收光子能量被激发而产生出光生“电子-空穴”对；使P区和N区中的少数载流子（少子）浓度大大增加，因此流过PN结的反向电流也随着增大，这样就形成了光电流。这个光电流是由半导体内部的“少子”载流子构成的。

△ 如果入射光强度变化，光能激发出的光生“电子-空穴”对的浓度也相应变化，流过外电路的光电流强度也就随之变化。可见光敏二极管具有将光信号转换为电信号输出的能力，即具有光电转换功能。故光敏二极管又称为光电二极管。

2.4.2 光敏二极管的性能特点和主要参数

2.4.2.1 光敏二极管在特定情况下的电流和电压分析

（1）有光照射时，图2-15中（a）、（b）、（c）、（d）情况分析

由于光生伏特作用，在半导体内部产生了大量的光生自由空穴和自由电子。这时，如图2-15（a）、（b）、（c）、（d）所示。

△ 如果PN结的两端是开路的——两极间就会产生光生电压，这个电压叫做开路电压（U0）[如图2-15（a）所示]。

△ 如果PN结的两端是短路的——两极回路里就会产生光生电流，这个电流叫做短路电流（I0）[如图2-15（b）所示]。

△ 如果PN结两极的回路里串联了电阻R——回路里就会有电流IR；并且光电二极管两端仍会有端电压UR[如图2-15（c）所示]。

对图2-15（c）的情况分析如下：

●光照功率不变时，R两端电压UR和其中电流IR之间关系，如图2-16中的曲线（2）的R段所示。

●当电阻R值很大时，端电压UR，对于R的变化，显示出恒压特性。

●当电阻R值很小时，回路电流IR，对于R的变化，显示出恒流特性。

●当电阻R值适中而变化时，R两端电压UR和回路电流IR的变化特征，就如图2-16中（2）曲线中的R段。

△ 如果PN结加上了反向电压EF，并串入电阻RF，[如图2-15（d）所示]；且光照功率恒定不变；分析图2-15（d）中，当电阻RF变化时，光电二极管中电压、电流的状态如下：

●调节RF，可以使PN结两端电压UF变为0；即

UF=EF-（IF·RF）=0

●这时RF上的压降值就等于EF；回路电流IF也就成为短路电流I0；这时RF的值就是：

●这种情况，就如同PN结短接时的短路电流情况。如图2-16中曲线（2）中的I0点。

●当RF再减小时，即：RF< 时，由于光生电流IF有保持恒定的趋向，因而假定：

PN结两端电压UF在0V附近向正、负方向微变时，回路电流IF恒定为短路电流I0；这样则有：PN结两端电压UF=EF-（IF·RF）≈EF-（I0·RF）>0；即UF为正值。

亦即表明：PN结两端电压为外加的反向电压状态（与EF同向）。并且回路电流IF也为反向电流状态。

●PN结加反向电压时，回路电流IF主要由光能决定，因而约等于短路电流I0。

●此时光电二极管中电压、电流的情况如图2-16中曲线（2）中的F段。此即为：光电二极管处于加反向偏压的工作状态。

●当RF又增大时，即：0时，（也由于光生电流IF有继续保持恒定的趋向，仍假定：PN结两端电压UF在0V附近向正、负方向微变时，回路电流IF仍恒定为短路电流I0。）则：PN结两端电压为UF=EF-（IF·RF）≈EF-（I0·RF）<0；故UF变为负数。

●UF变为负数即意味着PN结两端开始产生了光生电动势。这时PN结两端电压方向反转，变为正向电压。UF变为PN结上的光生电动势。PN结两端变为正向偏置；RF上的压降值等于EF与UF同向相加。

●但这时PN结中流过的电流却仍是反向电流。这是因为这时PN结中流过的电流相当于电源内部电流，是由负极（N区）流向正极（P区）的。

●这时，光电二极管中电压、电流的情况就开始进入了图2-16里曲线（2）中的R段（PN结中电压为正向，电流却为反向电流）。

●若电阻RF继续增大，就如图2-16里曲线（2）中的R段，PN结两端的光生电压UF也将随之增大，回路电流IF也由恒定向减小的方向变化。

●当RF增为无穷大时，回路电流IF=0；PN结两端的光生电压UF即成为开路光生电压U0，即变为UF=U0。

（2）有光照射时，图2-15（e）的情况分析

△ 如果给光电二极管加上正向电压EZ，[如图2-15（e）所示]，当使EZ>U0时，EZ使光电二极管的PN结处于正向偏置，并且在正向电压UZ作用下，PN结中流过正向电流IZ。这种情况就进入了图2-16里曲线（2）的Z段。这时的光电二极管相当于外加电源EZ的一个负载。这种情况，只用于理论分析，实际使用中光电二极管一般不工作于这种状态中。

（3）无光照射时，图2-15中图（f），（g）的情况分析

△ 无光照射时的情况如图2-15的图（f）和（g），其特性与普通二极管类似。

●在图2-15的（f）图的情况下：这时的PN结两端，在正向电压U的作用下，光电二极管中有正向电流Id；此时光电二极管中电压、电流的情况如图2-16中（1）曲线的H段。

●在图2-15的（g）图的情况下：这时的PN结两端，在反向电压US作用下，光电二极管中有反向饱和电流（Is）流过，也称为暗电流。此时光电二极管中电压、电流的情况如图2-16中（1）曲线的S段。

① 无光照射时，光电二极管中的正向电流Id分析

△ 无光照射，而加正向电压时，如图2-15（f）所示。光电二极管中的正向电流Id与普通二极管相同：即

式中：q——电子电量（q=1.6×10-19C）；

k——玻耳兹曼常数（k=1.3807×10-2 3J/K）；

T——绝对温度；

U——PN结的两端在所加电压（正向电压时为正值）；

Is——光电二极管中的反向饱和电流的数量。

这种情况下，光电二极管中的正向电流Id和正向电压U的关系，可参考图2-16中（1）曲线的H段。

② 无光照射时，光电二极管中的反向饱和电流Is分析

△ 无光照射且加反向电压时，如图2-15（g）所示光电二极管中的反向电流仍由式（2-18）决定，只是式中U取负值（即加反向电压）。反向电流与正向电流Id的方向相反。当U趋向于 -∞时，光电二极管中的反向电流即趋于反向饱和电流Is；这种情况下，光电二极管中的反向饱和电流Is和反向电压-U的关系，可参考图2-16中（1）曲线的S段。无光照射时的反向电流，也称为暗电流。

（4）有光照射时，光电二极管的短路电流I0分析

① 光量子效率（η）

△ 先介绍一下量子效率（Quantum Efficiency）的概念。光敏元件（材料）受光照射后会发生光电效应，在材料内部激发出电子-空穴对，但并非每个超过禁带能量（Eg）的光子都能在光敏元件中激发出电子-空穴对，而是只有一部分光子能通过激发产生光电效应使材料释放出自由电子（光电子）。光敏器件的光量子效率，即表示光敏材料在光电效应中释放出的自由电子数与入射的光子数之比值，用η表示。

△ 若设：单位时间内入射到光敏二极管受光面的光子数为NP，而相应激发产生出的光电子数为Ne；则这个光敏二极管的光量子效率η即为Ne与NP的比值，即

并且

式（2-20）中，P为入射光的物理辐射功率；IP为在P功率光照射下光敏二极管中产生的光电流。这样，将式（2-20）代入式（2-19），则光敏二极管的光量子效率η又可表示为

式中：λ——入射光的波长；

h——普朗克常数（6.626×10-34J·s；）；

q——电子电量（q=1.6×10-19C）；

c——光速。

△ 不同的材料和构造的光敏器件，其光量子效率η也不相同；即使是同种材料和构造的光敏器件，用不同波长的入射光照射时，其η也不相同。图2-17示出了不同材料的光敏器件，在不同的入射光波长照射时呈现出不同的响应度（IP/P）及其对应的光量子效率的状况。由图2-17中可以看出，通常情况下，硅光敏二极管的光量子效率η在其峰值波长附近约为75%～90%，锗光敏二极管的光量子效率在其峰值波长附近约为40%～50%，InGaAs光敏二极管的光量子效率在其峰值波长附近约为70%～85%。

② 光电二极管中的光电流IP与入射光功率P的关系

△ 由式（2-21）可以看出，光生电流IP和入射光功率P的关系可以表示为

由式（2-22）又可以看出，在入射光的波长（光源）和光敏器件（材料）一定时可以看成一个常数，并且，即为光电二极管传感器的响应度SW。因此，可以令

将响应度SW代入式（2-22），这样，在光电二极管中由光生伏特效应产生的光电流IP可写为

△ 式（2-24）表明：在光电二极管的PN结上，由光生伏特效应产生的光电流IP与入射光的辐射功率P成正比。因此，光电二极管的入射光功率与输出电流之间的变换关系具有良好的线性。

③ 光电二极管中的短路光电流I0与入射光功率P的关系

△ 图2-15（b）的情况相当于光电二极管PN结中光电流IP的一种特殊情况，即PN结两端短路时的情况。这时的光电流IP就是短路光电流I0；当光照功率为P时，由于IP=I0；式（2-24）可以表示为

△ 由式（2-25）可见：在光电二极管的PN结上，由光生伏特效应产生的短路电流I0与入射光的辐射功率P成正比。也因此，光电二极管的入射光功率P与短路光电流之间具有良好的线性关系。在有光照射的情况下，光电二极管中的短路电流I0，可参考图2-16中（2）曲线的U=0时的情况（I0点）。

（5）有光照射时，光电二极管的开路电压U0

△ 有光照射，且PN结两端开路时的情况如图2-15（a）所示；PN结两端的光生伏特电压为U0，如图2-16中曲线（2）中的I=0时的情况（U0点）。

△ 在图2-16里的曲线（2）中：

●PN结中电流I=0的情况，可以认为其意味着：由光生伏特电压U0产生的正向电流Id，恰与光生电流I0的方向相反，因而相互平衡，抵消掉了。即有

●又根据式（2-18）PN结基本关系式，可知PN结两端开路，PN结中电流I=0时，如下关系成立

整理式（2-27），并取以e为底的对数可得

△ 当s时，式（2-28）可写为

△ 由式（2-25），将I0=SW·P代入式（2-29），可得光生伏特电压U0与输入光功率P的关系，即

由此可见，PN结两端开路时，光电二极管两端的光生伏特电压U0与输入光功率P的对数成正比。

△ 由式（2-30）也可以看出，U0受温度的影响较大。除了式（2-30）中的温度T因素之外，式中的反向饱和电流Is也与温度T有关。在Si光敏二极管的情况下，光生伏特电压U0的温度系数与普通的Si二极管的正向端电压的温度系数相同，都约为-2mV/℃；这大约是短路光电流I0温度系数的10倍以上。因此，光生伏特电压U0仅在精度要求不高的场合才能作为传感器的输出信号使用，多数场合都使用光电流量作为光电二极管传感器的输出信号。

（6）当输入光功率P变化时，光敏二极管特性曲线的变化

△ 当光照功率P增强时，图2-18中的曲线（2）将向下平移。由式（2-25）可知I0=SW·P；所以光电流I0会随着光照功率P的增强而线性增强。当光照功率P等量增加时，曲线（2）也等间隔下移，如图2-18所示情况。

△ 当光照功率P增强时，由式（2-30）可知，光敏二极管的正向开路电压（光生电压）U0与光照功率P的对数成正比，这种关系也反映在图2-18中。表现为当光照功率P线性增加时，曲线（2）在线性下移，但正向开路电压U0却沿横轴（U）方向变化不大的特征。

（7）对图2-16中的曲线（2）中的R段情况的归纳：

△ 以图2-15（c）和（d）为背景，在光电二极管PN结两极回路里串联了电阻R，并接受光照时的情况下，电阻R上会同时有光生电流IR和光生端电压UR存在。当光照功率固定不变时，回路中串接的电阻R两端的电压UR和其中电流IR之间关系，就如图2-16里曲线（2）中的R段所示：

●当电阻R值很大时：端电压UR对于电阻值R的变化，显示出近似恒压的特性。

●当电阻R值很小时：回路电流IR对于电阻值R的变化，显示出近似恒流特性。

●当电阻R值适中变化，而回路中又未加入反向电压时：电阻R两端电压UR和回路电流IR的变化特征，就如图2-16中（2）曲线中的R段的特征。

●当回路中加入反向电压时EF时：当回路中串接的电阻RF>EF/I0时，PN结两端便开始产生了光生电动势，PN结变为正向偏置。这样也同样是进入了图2-16里曲线（2）中的R段。若电阻RF继续增大，PN结两端的光生电压也将随之增大，回路电流也向减小的方向变化，当电阻RF增至无穷大时，PN结两端的光生电压即增为开路电压U0；这个过程仍然是在R段中变化的。

2.4.2.2 光敏二极管的特性和主要参数

△ 主要以Si平面型光电二极管BS500B（日本夏普）为例，说明光电二极管的有关特性参数。BS500的外形及引脚图示于图2-19中，其特征参数如下。

型号： BS500B；

结构： Si-平面型；

短路电流： 0.55μA/100lx；

暗电流： 10pA（max）/（1V反压）；

结电容： 600～1000pF/（0V反压）；

峰值波长： nm；

有效受光面积：5.34mm2；

带有视觉灵敏度修正滤光镜。

（1）典型光电二极管的短路电流-光照度特性

△ 光电二极管BS500B的基本特性：

BS500B的短路电流-光照度特性，即为这种光电传感器的基本特性。

图2-20为BS500B的短路电流-光照度特性，可以看出，这种光敏二极管传感器在非常宽的照度范围里，其基本特性都具有良好的线性。

△ 由于BS500B的基本特性在全量程范围里保持良好的线性，所以其基本参数中的100lx照度下的短路电流值，即可认为是这种光电传感器的光照度灵敏度。即

Slx=0.55μA/100lx

△ 光电二极管短路电流的大小，由光电二极管传感器的内部结构决定。它与光敏二极管感光部位的有效面积成正比，有效面积越大短路电流也越大；但同时无光照时的暗电流也增大。

（2）光敏二极管短路电流的温度特性

△ 图2-21示出了BS500B短路电流的温度特性。光敏二极管传感器的短路光电流也是随环境温度而有微小改变的。温度上升，短路光电流也随之均匀增大。

△ 由图2-21可以看出，光敏二极管短路电流的温度系数很小，仅为+0.02%/℃；比光生电压U0的温度系数低10以上。因此，在要求高精度、高稳定度的场合，应尽量选取光敏二极管的光电流作为传感器的输出量使用。

（3）光敏二极管的暗电流与反向电压的关系特性

△ 光敏二极管在无光照时，在所加反向电压作用下，仍会有反向电流流过。这种电流的数值很小，称为暗电流。暗电流值是光敏二极管传感器的重要参数之一，它会影响光敏二极管的光电变换质量和工作稳定性，因此希望它数值越小越好。

△BS500B光敏二极管的标称暗电流值为10pA（max）/（1V反压）。暗电流的大小，还与环境温度及光敏二极管上所加反向电压的大小有关。图2-22示出了BS500B光敏二极管的暗电流与环境温度及所加反向电压数值的关系。由特性曲线图可以看出，光敏传感器自体的温度越高、或反向电压越大，其暗电流也越大。

△ 如果把Si光敏二极管的暗电流与GaAsP光敏二极管的暗电流比较一下，会发现由于GaAsP光敏二极管的禁带宽度（Eg）比Si光敏二极管要大，因此GaAsP光敏二极管可以获得比Si光敏二极管更小的暗电流。一般情况下GaAsP光敏二极管的暗电流大约只有Si光敏二极管的1/10左右。在要求暗电流小、温度稳定性高的场合，可考虑采用GaAsP光敏二极管。

（4）光敏二极管的光谱灵敏度特性

△ 多数Si光敏二极管的光谱灵敏度特性如图2-23的曲线①所示。一般的Si光敏二极管，在800～900nm的波长范围里存在着最大光谱灵敏度峰值。由式（2-6）可知，Si材料的临界波长λ0为1119n m，图2-23的曲线①反映出了Si材料临界波长及光电流响应的起始位置，波长大于1119nm的光将不能在Si中产生光电效应。

△ 由于测定工作是在入射光总能量保持恒定的条件下进行的，当波长更短的光入射时，每个光子能量增大了，但光子的总数量便减少了；并且，在短波长的入射光中，有些光子不能被Si材料吸收，未能产生光电效应而透射出去了，光量子效率η降低了。因此，在波长更短的区域中，光敏器件的相对灵敏度也会降低，形成如图2-23曲线那样的光谱响应特性。

△GaAsP光敏二极管的相对光谱灵敏度特性，如图2-23的曲线②所示。GaAsP的禁带宽度（Eg）比Si的禁带宽度更大，即GaAsP光敏二极管产生光电效应的临界波长更短一些，因此GaAsP光敏二极管的光谱灵敏度曲线会较Si材料向波长更短的可见光一侧移动一些。

△GaAsP光敏二极管的相对光谱灵敏度的峰值波长及响应区域基本上处于可见光的范围里，并且与人眼视敏特性的范围类似，因而可以直接用于检测可见光照度，而不需要外加红外光滤除镜。

（5）装有视觉校正滤镜的光敏二极管的光谱灵敏度特性

△ 由于Si光敏二极管的光谱响应特性除含有可见光区外，还包含有红外区域，并且其峰值波长也与人眼的视敏特性相差较多，因而有些用于检测可见光的Si光敏传感器，需要在其外壳的窗口上加装光谱修饰滤镜，用来滤除红外光并修饰其光谱响应特性。

△ 夏普的BS500光敏传感器就安装有视觉灵敏度校正滤镜。其修饰后的相对光谱灵敏度特性如图2-24所示。Si光敏二极管加装了视觉灵敏度校正滤镜后，可把普通Si光敏二极管光谱响应特性修正到可见光谱范围里，并使其相对光谱灵敏度特性曲线形状与视敏函数曲线相近似。这样便可以使光敏二极管的光谱响应灵敏度与人眼的视觉特性相接近，使光敏传感器输出的电信号值与人眼感觉到的亮度情况较为一致，并在可见光照度范围内保持良好的线性。

（6）光敏二极管传感器的响应速度

△ 光敏二极管传感器的响应速度主要由二极管内部PN结的结电容Cj及负载电阻RL决定。PN结接合面的电容量（Cj）会明显影响光敏二极管的频率响应上限和光脉冲响应的上升时间（tR）及下降时间（tF）；如图2-25所示。

△ 光敏二极管传感器频率响应特性的-3dB截止频率限ft可用下式表示

如图2-25所示，设光敏二极管传感器响应的时间常数CjRL=τ；并设光脉冲发生时刻为t0，从光电二极管的响应值上升到稳态值的10 %起，至响应达到稳态值的90 %所经历的时间为上升时间tR；则一般情况下

在通常情况下，下降时间tF≈tR；由式（2-31）和式（2-32）可以看出，光敏二极管的结电容Cj值会直接影响传感器的动态响应速度。对于要求高速动作的场合，应选用结电容Cj小的光敏二极管传感器，或设法减小结电容Cj的数值。

△ 设法增大PN结两侧耗尽层的宽度，也就是相当于拉宽了PN结电容两极板的间距，可以减小结电容Cj的数值，有助于提高光敏二极管的频宽上限，提高响应速度。图2-26示出了几种典型的光敏二极管的结电容Cj与所加反向电压之间的关系。由图可见，光敏二极管的结电容Cj与光敏二极管的有效受光面积和所加的反向电压有关。一般情况下，有效受光面积大的光敏二极管受光灵敏度较高，但其结电容Cj也大，响应速度相对较慢。并且光敏二极管PN结上所加的反向电压越大，结电容Cj就越小，这是因为PN结上所加的反向电压越大，PN结两侧的空间电荷区就越宽，这样就相当于增大了PN结电容的等效介质的厚度，使结电容随反向电压的增大而减小。

△ 由此可知，在要求高速响应的场合，应给光敏二极管加上一定的反向电压来使用，以减小Cj对传感器动态响应特性的影响；但由图2-22又可知道当反向电压增大时，光敏二极管的暗电流也会随之增大。因此给光电二极管加反向偏压时应全面考虑，设置一个合适的反向电压值来兼顾响应速度和暗电流两方面的性能要求。

△ 由式（2-31）和式（2-32）可知，当光敏二极管的结电容Cj一定后，其动态响应特性就由回路中的负载电阻RL决定。图2-27示出了BS500B所连接的负载电阻RL与其光脉冲响应上升时间（tR）之间的关系。BS500B在零反压时的结电容约为600～1000pF，属于结电容偏大的低速动作型光电传感器。从图2-27可以看出，负载电阻RL越大，响应时间（tR）越长，动作越慢。减小RL就可以缩短响应时间，提高传感器的工作速度。但RL太小又会使传感器的检测输出电压变小，降低传感器的检测灵敏度，因此使用时也应全面考虑，选择一个合适的负载电阻值，兼顾响应速度和灵敏度。图2-28示出了使用BS500B的光脉冲响应测试电路原理图图（a）和对应的光脉冲的响应情况图（b）。

2.4.3 光电二极管的应用电路

2.4.3.1 光电二极管的基本使用方法

（1）基本连接电路

△ 图2-29示出了光电二极管的基本使用电路，光电二极管处于反向偏置状态。光电流IP基本上正比于入射光的辐射功率，因而输出电压U0也基本上正比于入射光辐射功率。电路中，若提高反向偏压E，可提高响应速度（减小结电容Cj），但也会使暗电流增大；减小负载电阻RL也可以提高响应速度（减小tR），但输出电压U0也会降低。

（2）射极跟随输出受光电路

△ 图2-30示出了光电二极管与晶体管组成的射极输出电路，这种方式是光电二极管常用的传感输出电路。这种电路的输入阻抗高，输出信号与输入光信号的相位相同。射极跟随电路无电压放大作用，但输出阻抗小，具有电流放大作用。易于与前端的传感器及后级信号处理电路阻抗匹配，适用于输出脉冲光信号和模拟光信号。

△ 射极跟随受光电路（图2-30）的输出阻抗r0由晶体管Q的β值及输入阻抗rbe值、以及发射极电阻Re决定。在不考虑负载时，图2-30电路的输出阻抗r0由式（2-33）决定。输出阻抗

可见，射极跟随受光电路的输出阻抗是较低的。并且晶体管的β值越大，输出阻抗越低，电流放大作用也就越强。

△ 射极跟随受光电路（图2-30）的输入阻抗ri，主要由晶体管Q的β参数、输入阻抗rbe，以及射极电阻Re决定；此外光电器件的串联电阻RB值和射极输出电路所带的负载情况也会影响到整个电路的输入电阻。在不考虑RB及负载时，图2-30电路的输入阻抗ri由式（2-34）决定。输入阻抗

△ 电阻RB相当于晶体管Q输入回路中的一个分流电阻，减小RB可以分流一部分光电流，有利于减小暗电流。但RB太小会带来光电流损失，影响受光灵敏度。

（3）光电二极管与晶体管组成集电极输出电路

△ 图2-31为常用的电压负反馈型集电极输出受光电路。输出信号与输入光信号的相位相反。电路有一定的电压放大作用，适用于对脉冲光入射信号进行放大和输出。

（4）光电二极管与运算放大器组合使用电路

△ 图2-32（a）电路中，光电二极管基本上工作于无反压状态。以k点为虚地点，则有U0/Rf=IP；输出电压U0为

反馈电阻Rf可用于调整放大倍数，输出电压U0正比于光电流IP；这种电路可用于放大和输出脉冲光信号和模拟光信号。也适用于测量宽范围的入射光量，如用于照度计的受光电路等。但响应速度不如加反向偏置电压的受光电路。

△ 图2-32（b）为光电二极管加反向偏压方式，其光电响应速度有所提高。由于运算放大器使用了同相输入方式，输出信号与输入光信号相位相同。设图2-32（b）中k点为虚地，且k、p两点电位十分接近；并且假定运算放大器的输入阻抗无穷大，则有

且

也是由于k、p两点电位十分接近，所以可以有

由于I相等的关系，有式（2-36）与式（2-38）相等；即

所以，图2-32（b）中输出电压U0与输入光电流IP的关系为

△ 由式（2-40）可以看出，图2-32（b）电路中：

●输出电压U0与输入光电流IP成线性关系。

●增大电阻RL，可以提高受光灵敏度；但分流作用也降低，暗电流也会随之增大。

●调节Rf与RB的比值，可以调节放大倍数，改变输出电压值。

（5）对数输出型光电二极管受光电路

△ 使用光电二极管与普通二极管及运算放大器组合，可以实现对数压缩型光电信号输出电路。图2-33示出了这种对数压缩型输出电路的基本形式。使用对数规律放大输出光电变换信号，可以使宽范围变化的输入光信号能够按对数的规律压缩后输出，这样可以展宽对光信息的量程范围。此外，图2-33电路中，光电二极管未加反向偏压，暗电流小，可感受更低的光照度变化。这种放大输出形式常在对数型照度计中使用。

△ 图2-33中，以k点为虚地，输出电压VOUT=VD；由式（2-30）可知二极管Dlog两端的电压VD为

式中：IP——流过二极管Dlog的正向电流，也是流过光电二极管DP的光电流；

P——入射光的物理辐射功率；

Is——二极管Dlog的反向饱和电流。

由式（2-41）可见，二极管Dlog将光电流IP的变化转化为依对数规律变化的端电压VD，并且VD又与入射光的物理辐射功率P的对数成正比。这样就实现了电路的输出电压VOUT与光电流IP和入射光的物理辐射功率P的对数成正比的光电变换特性。

△ 利用普通二极管的对数型电流-电压特性，用二极管Dlog代替线性运放电路中的反馈电阻Rf，二极管Dlog两端的电压VD即成为IP的对数函数。图2-34示出了使用线性反馈电阻Rf时及使用二极管Dlog时运算放大器的输出特性对比。可以看出电路的输出特性由直线型增长变为了对数压缩型。

2.4.3.2 用光电二极管做照度计

△ 光敏二极管的应用之一是做照度计。用来制作照度计使用的光敏二极管，其光谱灵敏度曲线必须符合标准相对视敏函数曲线，并应具有良好的光电变换线性和合适的指向性。由图2-20和图2-24可知，带有视觉校正滤镜的BS500B的输出电流与光照度成正比，并基本合乎视敏特性。

△ 图2-35是一个照度计电路。使用普通运算放大器LF411和BS500B光敏二极管组成了光电变换和线性放大输出电路。BS500B的光照度灵敏度为0.55μA/100lx，即Slx=5.5×10-3μA/1lx。

△ 设图2-35中k点为虚地，且k、p两点电位十分接近；并且假定运算放大器A1的输入阻抗无穷大，则电路的输出电压可表示为

VOUT=Rf·IP=5.5×10-3·Rf（mV/lx）

Rf为运算放大器A 1的反馈电阻，Rf=R1+RV 1，取Rf=180k Ω；则可以得到输出电压：

VOUT=5.5×10-3μA×180kΩ=1mV/1lx；

此即表明光电传感器输出电路有1mV/1lx的照度-电压变换灵敏度。

△ 调整电位器RV1，可以补偿由于元件参数的离散性而引起的照度-电压变换灵敏度误差。电容C1的作用是对周围电灯光等明暗波动变化的闪烁光进行平均化，使电路的输出电压不产生波动。

△ 照度计的最低照度特性由BS500B的暗电流最大值决定。已知BS500B的光电流随照度线性变化，并且其暗电流的最大值为10pA，其对应的最小照度值Emin为

这个数值已足够小，照度计的最低照度标准可以比Emin值略高。

△ 现将照度计的最低照度标准设计为0.0025lx；则：最低照度Emin=0.0025lx时，对应的最小输出电压为

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

△ 由于BS5000的动态范围可以达到118dB；设电路输入信号的动态倍数为KP，则有：20log（KP）=118；

亦即电路输入信号的动态倍数：KP=10（118/20）≈8×105倍；

这样，可测量的最高照度为：Emax=0.0025lx×8×105=2000lx；

对应此最高照度（Emax）的最大输出电压（VOUT）max为

（VOUT）max=lmV/lx×2000lx=2000（mV）

所以这个照度计可测光量的范围为0.0025～2000lx；与之对应的电信号输出电压为0.0025mV～2V范围。