光電信號檢測第四章

1、 信息光電子研究所信息光電子研究所Information optoelectronics research 王靜王靜 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 2一一光電檢測電路的設(shè)計要求光電檢測電路的設(shè)計要求二二光電信號輸入電路的靜態(tài)計算光電信號輸入電路的靜態(tài)計算三三光電信號檢測電路的動態(tài)計算光電信號檢測電路的動態(tài)計算四四光電信號檢測電路的噪聲光電信號檢測電路的噪聲五五前置放大器前置放大器六六光電檢測電路舉例光電檢測電路舉例 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics resear

2、ch 3通常的光電檢測電路組成通常的光電檢測電路組成光電器件輸入電路前置放大器光電器件是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的核心器件，是溝通光學(xué)量和電子系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié)，把被測光信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。輸入電路是為光電器件提供正常的工作條件，進行電參量的變換，同時完成和前置放大器的電路匹配。前置放大器將光電器件輸出的微弱電信號進行放大，同時匹配后置處理電路與檢測器件之間的阻抗。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 4一光電檢測電路的設(shè)計要求設(shè)計原則：根據(jù)光電信號的性質(zhì)、強弱、光學(xué)的和器件的噪聲電平以及輸出電平和通頻帶等技術(shù)要求來確定電路的連接形式

3、和電路參數(shù)，保證光電器件和后續(xù)電路最佳的工作狀態(tài)。使整個檢測電路滿足下列要求：1. 靈敏的、較強的光電轉(zhuǎn)換能力：光電靈敏度。2. 快速的動態(tài)響應(yīng)能力：頻率響應(yīng)及選擇特性。3. 最佳的信號檢測能力：信噪比(SNR)、等效噪聲功率(NEP)。4.長期工作的穩(wěn)定性和可靠性： 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 5二光電信號輸入電路的靜態(tài)計算靜態(tài)計算法是對緩慢變化的光信號采用直流電路檢測時使用的設(shè)計方法，由于光電檢測器件的非線性伏安特性，所采用的方法包括三線性電路的圖解法和分段線性化的解析法。按照伏安特性的基本性質(zhì)可分為三種類型：

4、恒流源型、光伏型和可變電阻。下面以光電二極管或光電池為線索分別介紹各種工作狀態(tài)下的電路計算方法。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 62/20cmmW1612840 5 10 15mAi/M2/15cmmW2/10cmmW2/5cmmWVU /1200800400040 80 120uAi/lx10000lx6000lx4000lx2000lx500VU /543210200 400 600 800 1000mAi/lm100lm75lm50lm250VU /光電倍增管光電二極管光電三級管4.2.1 恒流源型器件光電信號

5、輸入電路在工作電壓較小時，曲線呈彎曲，存在一個轉(zhuǎn)折點M，隨電壓增大，輸出電流變化不大，趨于恒流。與晶體管集電極特性曲線類似，可以采用晶體管放大器類似的方法分析。區(qū)別在于光電流控制輸出電流，而光電流是由輸入光功率控制的。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 71、圖解計算法：利用包含非線性元件的串聯(lián)電路的圖解法對恒流源器件的輸入電路進行計算。QobUQUIQIIUULbRU000LR1arctanoioU LbIRUIU負載線方程：UUbRLIU負載線與對應(yīng)輸入光通量為0時的器件的伏安特性曲線交點Q，即為輸入電路的靜態(tài)工作點

6、，當(dāng)0改變時，在負載電阻RL上產(chǎn)生的 電壓信號輸出和 的電流信號輸出。I 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 8圖解法適用于大信號狀態(tài)下的電路分析，在大信號狀態(tài)下，可定性地輸出信號的波形畸變。在做光電開關(guān)情況下，可借助圖解法合理地選擇電路參數(shù)，如最大工作電流、最大工作電壓和最大耗散功率。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 9圖中給出了Ub不變時，RL的大小對輸出信號的影響：輸入光通量變化時，負載電阻的減小會增大輸出信號電流，而減小輸出電壓。同時負載電

7、阻的減小會受到最大工作電流和功耗的限制。而過大的RL又使輸出負載線進入非線性區(qū)，使輸出信號波形畸變。obUQ1LR000oioUM2LR3LR321LLLRRR圖解法的應(yīng)用：1、負載電阻的影響分析： 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 10圖解法的應(yīng)用：2、偏置電壓的影響分析：o0003bU2bU1bUoioU功耗限制圖中給出了RL 不變時，Ub的大小對輸出信號的影響：當(dāng)偏置電壓增大時，輸出信號電壓幅度也隨之增大，線性度得到改善，但電路的功耗隨之加大，過大的偏置電壓會引起光電二極管的反向擊穿。 信息光電子研究所信息光電子研

8、究所 Information optoelectronics research 11利用圖解法確定輸入電路的負載電阻和反向偏置電壓大小時，應(yīng)根據(jù)輸入光通量的變化范圍和輸出信號的幅度要求使負載線稍高于轉(zhuǎn)折點M，以便得到不失真的最大電壓輸出，同時保證反向偏壓不大于器件的最大工作電壓Umax。1. 由和I選擇RL和Ub超過轉(zhuǎn)換點M，以便有最大不失真電壓輸出。2. 同時保證Ub不大于器件最大工作電壓Umax 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 122、解析計算法：對光電器件的非線性伏安特性進行分段折線化，稱為折線化伏安特性。折線化

9、的畫法一QMPO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdIiMUO0UGarctan0arctanG折線化的畫法二折線化的畫法 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 13QMPO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdI折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：轉(zhuǎn)折電壓U0對應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點M處的電壓值。初始電導(dǎo)G0非線性區(qū)近似直線的初始斜率。結(jié)間漏電導(dǎo)G線性區(qū)各平行直線的平均斜率。光電靈敏度S單位輸入光功率所引起的光電流值。PISp光電靈敏度的表達式：P為輸入光功率Ip為對應(yīng)的光電流 信息光電子研究所信息光電子

10、研究所 Information optoelectronics research 14折線化的分析原則： 利用折線化的伏安特性， 可將線性區(qū)內(nèi)任意Q點處的電流值I表示為兩個電流分量的和：QMPO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdIpdQIIUfI,Id-為與二極管端電壓U成正比，由結(jié)間漏電導(dǎo)形成的無光照電流（暗電流）。Ip為與端電壓無關(guān)，僅取決于輸入光功率的光電流。有：那么理想的光電二極管等效電路可表示為：SGUIIIpdIpIpIGRg1 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 15折線化伏安特性的分析：

11、在輸入光通量變化范圍minmax為已知的條件下，用解析法計算輸入電路的工作狀態(tài)：1、確定線性工作區(qū)域：OiM0U0U0UUbbU0arctanGGarctanNLGarctanmax 由最大輸入光通量的伏安曲線彎曲處即可確定轉(zhuǎn)折點M。相應(yīng)的有轉(zhuǎn)折電壓U0和初始電導(dǎo)G0，在線段MN有關(guān)系：max000SGUUG由此可得：GGSU0max00max0USGG或 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 162、計算負載電阻和偏置電壓：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0U

12、bUUU為保證最大線性輸出條件，負載線和與對應(yīng)的伏安曲線效點不能低于轉(zhuǎn)折點M。設(shè)負載線通過M點，可得關(guān)系：000UGGUULb當(dāng)Ub已知時，可得負載電導(dǎo)GL或電阻RL：0max011max000GSGGbbLLUSUUUGRG當(dāng)RL已知時，可得偏置電源電壓Ub為：GGGGGSULLb00max 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 173、計算輸出電壓幅度：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU在輸入光通量由min變化到max時，輸出電壓幅度為：0maxU

13、UU由圖中M和N點電流值計算：HSGUUUGbL:minmaxmaxMSGUUUGbL:max00聯(lián)合求解：LbLGGSUGUminmaxLbLGGSUGUmax0求得U：LLGGSGGSUminmax 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 183、計算輸出電流幅度：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU輸出電流幅度：UGIIILminmaxLLGGSGGSUminmax由下式可得：LLGGSUGI1minmax通常 ，上式可簡化為：GGLSSIminma

14、x 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 194、計算輸出電功率：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU由功率關(guān)系：UIP可得：LLLGGSGUGUIP2 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 204.2.2 光伏型器件光電信號輸入電路mAi/VU /0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-0.2 -0.4-0.6-0.8光伏型器件伏安曲線等效電路光伏型器件伏安曲線如圖示，位于第四象

15、限，器件的端電壓U和電流I的方向相反，具有賦能元件的性質(zhì)。這類器件主要是光電池和光電池工作狀態(tài)下的光電二極管。pUUsIeIIT) 1(光電池輸出電流有下列形式：將光電池的伏安特性轉(zhuǎn)到第一象限，即規(guī)定電流的正方向，則伏安特性可表示為：) 1(TUUspeIII或sspTIIIIUUln 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 211、光伏型器件輸入電路的形式： 無偏置型、反向偏置型和太陽能電池充電電路2、無偏置輸入電路的靜態(tài)計算ULRpIdII電路方程：ULRLRIU1TUUspeIII圖解法分析：負載線與給定光通量0對應(yīng)的伏

16、安曲線的交點即為工作點Q。Q點對應(yīng)的U和I即為RL上的輸出電流和電壓。光通量變化時形成相應(yīng)的輸出電流變化和輸出電壓變化。i0QIIULGarctanQUO 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 22光伏型器件負載電阻和光通量的影響分析：U2scI1scI1UIO12i2U0LR1R2RMRULRpIdII如圖中光通量從1增加到2時，在短路狀態(tài)RL=0時，輸出電流增量I=Isc2-Isc1，輸出電壓為0。隨著RL的增大，電壓增大。負載進一步增大，電壓飽和，電流變小。也就是說存在一個臨界電阻RM，經(jīng)過RM之后，負載上電壓變?yōu)轱柡?/p>

17、，輸出電流逐漸減小。當(dāng)處于最佳臨界負載RM時，光通量較小時，負載上輸出電流和電壓近似隨光通量成正比增加，而當(dāng)光通量較大時，輸出電流和電壓逐漸呈現(xiàn)飽和。負載越大情況越明顯。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 23PUIRLU、I、PRMO另外，可以定量地描述負載電阻和入射光通量對電路工作狀態(tài)（U、I、P）的影響：ssLpTIIRUIUUln1TLURIspeIIIssLpLTIIRUIRUUUIPln 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 241U2sc

18、II1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMR負載電阻不同時，光電池有幾個工作狀態(tài)，如圖示1、負載電阻較小時，即I區(qū)間。光電池處于短路或線性電流放大，可實現(xiàn)電流變換。后續(xù)電流放大級可從光電池中吸取最大的輸出電流。光電流與光通量有良好的線性關(guān)系：SIIeIIIscpRURIspLTL01SI和優(yōu)點：在短路狀態(tài)下，器件噪聲電流較低，改善信噪比，適于微弱光信號檢測。同時與受光面積成正比。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 251U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMR2、負載電阻較

19、大時，即IV區(qū)間。光電池處于斷路或空載電壓輸出，實現(xiàn)一種非線性電壓變換。光電池應(yīng)通過高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大器連接，相當(dāng)于輸出開路。輸出電壓：sTspTsspTocISUIIUIIIUUUlnlnln優(yōu)點：光電池輸出電壓的變化不需加偏置電源即可組成控制電路，實現(xiàn)光電開關(guān)作用。且較小光通量即可實現(xiàn)較大開路電壓的變化，對弱光檢測有利。但容易受溫度影響，頻率特性不理想。輸出電壓小。輸出電壓與受光面積的對數(shù)成正比。VUoc6.045.0 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 263、在II區(qū)間，可得到線性電壓輸出，在串聯(lián)的負載電阻

20、上得到與輸入光通量近似成正比的信號電壓，負載增大可提高輸出電壓。但超過RM 值時輸出信號發(fā)生非線性畸變。1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMRRM值的確定：對 展開1TLURIspeIIITLsTLUIR！IUIRSI211已知IsR時，LIULRbULR2LbLRRSUI22LbRRSURI負載電流與光敏電阻阻值無關(guān)，近似保持常數(shù)。表明：輸出信號取決于光敏電阻和負載電阻的比值，與偏壓成正比。電路信噪比高，適于高靈敏度測量。但偏置電壓高達100V以上。通常用晶體管實現(xiàn)恒流偏置。LbLRSUU選取RLR時，加在光敏電阻上的電壓近似為電源電壓Ub，與R無關(guān)。輸出信

21、號電壓為：LLbLLLRRRSURIRU22適用于檢測器本身噪聲較大時。適用于檢測器本身噪聲較大時。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 311TR2TR1R2R0U2I1IAbU 電橋輸入電路1221RRRRTT電橋在無輻射照射時，電橋平衡條件：輸出電壓Uo等于0。電橋在有輻射照射在RT1上時，溫度升高引起電阻變化可表示為：RRRT011 此時電橋失去平衡，有電壓輸出為：221012222101010RRRRRRRURRRURRRRRUUTbTTbb在弱輻射作用下，RRbbERSK 信息光電子研究所信息光電子研究所 In

22、formation optoelectronics research 58式中：2232,1411TTTT06645423TTTTTTTbLibLiGGCRRCT/4cbgbcCRRRCT/5bLjgbjGGCCRRCCT006/，RCTLc000CRRSKTLbE0654TTTTT輸入電路的振幅頻率特性：222221011TTKTjW對數(shù)頻率特性：210lg20lg20lg20lg20TTKTjW規(guī)整化特性規(guī)整化特性實際對數(shù)特性實際對數(shù)特性O(shè)dB3倍頻1020dB10lg20TKTjWlg20111 T0221 T對數(shù)頻率特性 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information opt

23、oelectronics research 59高頻段綜合對數(shù)頻率特性可分為：1、高頻段（2=1/T2）2101jTTKTjWH2稱為上限截止頻率。檢測電路中的高頻衰減主要是因為電路中各電容容抗隨的增加而減少，電容分流作用的加大使輸出信號變小。對數(shù)頻率特性O(shè)dB3倍頻1020dB10lg20TKTjWlg20111T0221TLRbRgRcCjCiC0C等效電路111jTjT21011jTjTjKTjW 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 6010TKTjWM對數(shù)頻率特性O(shè)dB3倍頻1020dB10lg20TKTjWlg2

24、0111T0221TLRbRgRcCjCiC0C等效電路0為這段頻率的中心頻率。頻率滿足T11和T21。相應(yīng)的頻率特性為：可見，中頻段范圍內(nèi)輸入電路可看作理想的比例環(huán)節(jié)，這段頻率區(qū)間稱做電路的通頻帶。2、中頻段（12）111211jTjTjT和21011jTjTjKTjW中頻段 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 61低頻段對數(shù)頻率特性O(shè)dB3倍頻1020dB10lg20TKTjWlg20111T0221TLRbRgRcCjCiC0C等效電路3、低頻段（1=1/T1）101jTjKTjWL1稱為低頻或下限截止頻率。檢測電路

25、中的低頻衰減的物理原因是電路中串聯(lián)耦合電容的容抗隨的減小而增大，信號在電容上壓降的提高使輸出信號變小。21011jTjTjKTjW112jT 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 623 3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計光電檢測電路設(shè)計的基本要求：保證所需要檢測靈敏度的前提光電檢測電路設(shè)計的基本要求：保證所需要檢測靈敏度的前提下獲得最好的線性不失真和頻率不失真，頻率不失真是檢測電下獲得最好的線性不失真和頻率不失真，頻率不失真是檢測電路頻率特性設(shè)計需解決的問題。路頻率特性設(shè)計需解決的問題。對快速變化的

26、復(fù)雜信號是若干不同諧波分量的疊加，對確定的環(huán)對快速變化的復(fù)雜信號是若干不同諧波分量的疊加，對確定的環(huán)節(jié)，描述它對不同諧波輸入信號的響應(yīng)能力的頻率特性是唯一確節(jié)，描述它對不同諧波輸入信號的響應(yīng)能力的頻率特性是唯一確定的。對多級檢測系統(tǒng)可用其組成單元的頻率特性間的簡單計算定的。對多級檢測系統(tǒng)可用其組成單元的頻率特性間的簡單計算得到系統(tǒng)的綜合頻率特性，有利于復(fù)雜系統(tǒng)的綜合分析。得到系統(tǒng)的綜合頻率特性，有利于復(fù)雜系統(tǒng)的綜合分析。信號的頻率失真會使某些諧波分量的幅度和相位發(fā)生變化導(dǎo)致合信號的頻率失真會使某些諧波分量的幅度和相位發(fā)生變化導(dǎo)致合成波形畸變。為避免頻率失真，保證信號的全部頻譜分量不產(chǎn)生成波形畸

27、變。為避免頻率失真，保證信號的全部頻譜分量不產(chǎn)生非均勻的幅度衰減和附加的相位變化，檢測電路的通頻帶應(yīng)以足非均勻的幅度衰減和附加的相位變化，檢測電路的通頻帶應(yīng)以足夠的寬裕度覆蓋住光信號的頻譜分布。夠的寬裕度覆蓋住光信號的頻譜分布。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 633 3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計檢測電路頻率特性的設(shè)計大體包括下列三個基本內(nèi)容：檢測電路頻率特性的設(shè)計大體包括下列三個基本內(nèi)容： 對輸入光信號進行傅里葉頻譜分析，確定信號的頻對輸入光信號進行傅里葉頻譜分析，確定信號的頻譜分布；譜

28、分布； 確定多級光電檢測電路的允許通頻帶寬和上限截止確定多級光電檢測電路的允許通頻帶寬和上限截止頻率；頻率； 根據(jù)級聯(lián)系統(tǒng)的帶寬計算方法，確定單級檢測電路根據(jù)級聯(lián)系統(tǒng)的帶寬計算方法，確定單級檢測電路的阻容參數(shù)。的阻容參數(shù)。下面通過一個實例說明頻率特性設(shè)計的方法：下面通過一個實例說明頻率特性設(shè)計的方法： 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 643 3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計例：用例：用2DU12DU1型光電二極管和兩級相同的放大器組成光電檢測電型光電二極管和兩級相同的放大器組成光電檢測電路。被

29、測光信號的波形如圖，脈沖重復(fù)頻率路。被測光信號的波形如圖，脈沖重復(fù)頻率f=200kHzf=200kHz，脈寬，脈寬t t0 0=0.5s=0.5s，脈沖幅度，脈沖幅度1V1V，設(shè)光電二極管的結(jié)電容，設(shè)光電二極管的結(jié)電容C Cj j=3pF=3pF，輸入，輸入電路的分布電容電路的分布電容C C0 0=5pF=5pF，設(shè)計該電路的阻容參數(shù)。，設(shè)計該電路的阻容參數(shù)。ust5 . 00V1tust5 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 65取包絡(luò)線第二峰值作為信號的高頻截止頻率，取包絡(luò)線第二峰值作為信號的高頻截止頻率，包含包含15

30、15個諧波成分，高頻截止頻率個諧波成分，高頻截止頻率fHC取為：取為：MHzkHzfHC315200此時，認為光信號是不失真的。此時，認為光信號是不失真的。3 3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計解：（解：（1 1）首先分析輸入光信號頻譜，）首先分析輸入光信號頻譜，確定檢測電路的總頻帶寬度。確定檢測電路的總頻帶寬度。MHzf /1245K001tF Tf1周期為周期為T=1/fT=1/f的方波脈沖時序信號，其頻譜的方波脈沖時序信號，其頻譜是離散的，譜線的頻率間隔為：是離散的，譜線的頻率間隔為：kHzsTf200511頻譜包絡(luò)線零值點的分布間隔為：頻譜包絡(luò)線零值點的分布間隔

31、為：MHzstF25 . 0110ust5 . 00V1tust 5頻率的零頻分量確定信號的直流成分，不影響變化的波形，但為采用交頻率的零頻分量確定信號的直流成分，不影響變化的波形，但為采用交流放大利用阻容耦合電容隔直。取低頻截止頻率流放大利用阻容耦合電容隔直。取低頻截止頻率f fLCLC為為200Hz200Hz，則檢測放大，則檢測放大器的總頻帶寬近似為器的總頻帶寬近似為F3MHz。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 663 3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計（2 2）確定級聯(lián)各級電路的頻帶寬）確

32、定級聯(lián)各級電路的頻帶寬由設(shè)計要求，檢測電路由輸入電路和兩級相同放大器串聯(lián)而成，由設(shè)計要求，檢測電路由輸入電路和兩級相同放大器串聯(lián)而成，設(shè)三級帶寬相同設(shè)三級帶寬相同，根據(jù)電子學(xué)系統(tǒng)頻帶寬計算式，相同，根據(jù)電子學(xué)系統(tǒng)頻帶寬計算式，相同n n級級聯(lián)級級聯(lián)放大器的高頻截止頻率放大器的高頻截止頻率f fnHCnHC和低頻截止頻率和低頻截止頻率f fnLCnLC為：為：121nHnHCff121nLnLCff將將f fnHCnHC= =f fHCHC=3MHz=3MHz、f fnLCnLC= =f fLCLC=200Hz=200Hz和和n=3n=3代入上兩式，可得：代入上兩式，可得：MHzMHzfH612

33、331HzHzfL1021220031則輸入電路和單級放大器的通頻帶寬相同，且：則輸入電路和單級放大器的通頻帶寬相同，且：MHzF6 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 673 3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計（3 3）計算輸入電路參數(shù)）計算輸入電路參數(shù)帶寬為帶寬為6MHz6MHz的輸入電路宜采用的輸入電路宜采用電流放大（？）電流放大（？）方式，利用前述方式，利用前述公式可計算出。公式可計算出。kCCfRjHL3 .3210R RL L為后級放大器的輸入阻抗，若為后級放大器的輸入阻抗，若取取R R

34、L L為為2k2k，為保證，為保證R RL LR Rb b，取，取R Rb b=(10=(1020)R20)RL L，即，即R Rb b=10R=10RL L=20k=20k。0CCRjL02121CCRfjLH耦合電容耦合電容C C的值的值 是由低頻截止頻率決定的。是由低頻截止頻率決定的。由由f fL L=102Hz=102Hz和下式和下式CRRfbLL21可計算可計算C C值為：值為：FFCRRCbL07. 021取取C=1FC=1F，對于第一，對于第一級耦合電容可適當(dāng)增級耦合電容可適當(dāng)增大大1010倍，取電容值倍，取電容值C=10FC=10F。（。（why?why?） 信息光電子研究所信

35、息光電子研究所 Information optoelectronics research 683 3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計（4 4）計算輸入電路參數(shù)）計算輸入電路參數(shù)V50F50012DUbRk20pF200Rk2FC10CCk2選用二級通用的寬帶運算放大器，放大器輸入阻抗小于選用二級通用的寬帶運算放大器，放大器輸入阻抗小于2k2k，放大器通頻帶要求為，放大器通頻帶要求為6MHz6MHz，這里取為，這里取為10MHz10MHz。得到。得到如圖所示的檢測電路。如圖所示的檢測電路。圖中輸入電路的直流電源為圖中輸入電路的直流電源為50V50V，低于，低于2DU12D

36、U1型光電二極管的型光電二極管的最大反向電壓。并聯(lián)的最大反向電壓。并聯(lián)的500F500F電容用以濾除電源波動。為減電容用以濾除電源波動。為減少少C C電解電容寄生電感的影響，并聯(lián)了電解電容寄生電感的影響，并聯(lián)了C Cp p=200pF=200pF的電容。的電容。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 69本節(jié)結(jié)束 信息光電子研究所信息光電子研究所Information optoelectronics research 07.4.1207.4.12 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectr

37、onics research 71檢測器檢測器在光電轉(zhuǎn)換過程中，既存在檢測信號電壓或信號電在光電轉(zhuǎn)換過程中，既存在檢測信號電壓或信號電流，還伴隨著無用的噪聲電壓或噪聲電流。噪聲是一種隨流，還伴隨著無用的噪聲電壓或噪聲電流。噪聲是一種隨機過程，其波形和瞬時振幅及相位是無規(guī)則變化的，無法機過程，其波形和瞬時振幅及相位是無規(guī)則變化的，無法精確測量，只能用統(tǒng)計的理論和方法去處理。精確測量，只能用統(tǒng)計的理論和方法去處理。系系統(tǒng)統(tǒng)噪噪聲聲外部噪聲外部噪聲內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲包括輻射源隨機波動和附加的光調(diào)制、光路傳包括輻射源隨機波動和附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)的湍流和背景起伏、雜散光的入射及檢輸介質(zhì)的湍流和背景

38、起伏、雜散光的入射及檢測系統(tǒng)所受到的電磁干擾測系統(tǒng)所受到的電磁干擾這些噪聲可以通過穩(wěn)定輻射源、遮斷雜光、選這些噪聲可以通過穩(wěn)定輻射源、遮斷雜光、選擇偏振面或濾色光片及電氣屏蔽、電干擾濾波擇偏振面或濾色光片及電氣屏蔽、電干擾濾波等加以改善或消除。等加以改善或消除。是光電檢測器件和檢測電路等器件固有噪聲，是光電檢測器件和檢測電路等器件固有噪聲，是基本物理過程決定的，不可人為消除。是基本物理過程決定的，不可人為消除。噪聲和有用信號同時存在相互混淆，影響信號檢測的準(zhǔn)確性，限噪聲和有用信號同時存在相互混淆，影響信號檢測的準(zhǔn)確性，限制檢測系統(tǒng)的分辨率的提高。光電信號處理過程核心問題之一就制檢測系統(tǒng)的分辨率

39、的提高。光電信號處理過程核心問題之一就是有關(guān)噪聲干擾的分析以及如何從噪聲中提取微弱的信號。在檢是有關(guān)噪聲干擾的分析以及如何從噪聲中提取微弱的信號。在檢測電路設(shè)計中，需綜合噪聲估算，確保檢測系統(tǒng)必需的信噪比。測電路設(shè)計中，需綜合噪聲估算，確保檢測系統(tǒng)必需的信噪比。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 72光輻射檢測器中存在的內(nèi)部噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、半導(dǎo)體中產(chǎn)生復(fù)合噪聲、溫度噪聲和閃爍（1/f）噪聲。在一個檢測系統(tǒng)中，檢測器產(chǎn)生的噪聲對系統(tǒng)性能的影響比前置放大器和其它信號處理部件產(chǎn)生的噪聲要大得多。一般光電檢測器件中主

40、要的噪聲是熱噪聲和散粒噪聲。下面做簡要介紹并討論等效噪聲電路。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 731、噪聲 熱噪聲熱噪聲是電阻性電路器件的共性噪聲，噪聲電壓均方值取決于材料的溫度，并有關(guān)系式：dffRkTUffT2142度。為熱噪聲的頻譜分布寬關(guān)系；表示電阻隨頻率的變化為材料的熱力學(xué)溫度；為波爾茲曼常數(shù)；式中：12)(ffffRTk在純電阻的簡單情況下，R與頻譜無關(guān)，上式可變?yōu)椋篺kTRUT 42RfkTIT 42相應(yīng)的噪聲電流均方值為： 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectr

41、onics research 74溫度一定時，熱噪聲只與電阻和通頻帶有關(guān)，因此熱噪聲又稱電阻噪聲或白噪聲。與頻率無關(guān)，在通帶內(nèi)任何頻率上噪聲電壓和噪聲功率是同樣數(shù)值，即噪聲功率譜在通帶內(nèi)產(chǎn)平坦的。帶寬愈大，噪聲功率愈大。但只適合于1012Hz以下的頻率范圍。當(dāng)溫度為T=300K時，kT=4.1410-21J，電阻的噪聲電壓和電流有效值變成：21101029.14JfRfkTRUT2129.1JRfIT例：室溫下1M電阻，如果檢測電路的放大倍數(shù)為1，則在電路通頻帶為f=30kHz時輸出的熱噪聲電壓有效值是22.3V。通頻帶為10MHz時為400V。整個白噪聲的輸出電壓為413mV。由此可見，檢測

42、電路通頻帶對白噪聲輸出電壓有很強的抑制作用。f2TUf信號通頻帶OkTR4白噪聲 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 75 散粒噪聲散粒噪聲是光輻射隨機起伏導(dǎo)致和光電流的隨機起伏所造成的，光電子散粒噪聲是光輻射隨機起伏導(dǎo)致和光電流的隨機起伏所造成的，光電子從材料表面逸出的隨機性和從材料表面逸出的隨機性和PNPN結(jié)中載流子過結(jié)數(shù)的隨機性都是這種散粒結(jié)中載流子過結(jié)數(shù)的隨機性都是這種散粒噪聲源。此外光輻射中光子到達率的起伏在某些檢測器光電轉(zhuǎn)換后也表噪聲源。此外光輻射中光子到達率的起伏在某些檢測器光電轉(zhuǎn)換后也表現(xiàn)為散粒噪聲。現(xiàn)為散

43、粒噪聲。散粒噪聲的量值不取決散粒噪聲的量值不取決于溫度，而由流過器件于溫度，而由流過器件的平均電流決定。若器的平均電流決定。若器件的通頻帶為件的通頻帶為f f，它的，它的散粒噪聲電流均方值為：散粒噪聲電流均方值為：fqIIDCn 22為光電流平均值為電子電荷量；DCIq相應(yīng)的噪聲電流有效值相應(yīng)的噪聲電流有效值I In n和在負載電和在負載電阻上引起的噪聲電壓阻上引起的噪聲電壓U Un n分別為：分別為：fqIIDCn2fqIRRIUDCnn2散粒噪聲也是與頻率無關(guān)的白噪聲。散粒噪聲也是與頻率無關(guān)的白噪聲。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics

44、 research 762、等效噪聲電路工程上作噪聲處理時，為計算方便，常作等效處理。將噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式，便于與其它電器件以統(tǒng)一的方式建立起等效噪聲電路：RRTI如圖示為簡單電阻的噪聲等效電路，由熱噪聲電流源IT和電阻并聯(lián)。若兩個電阻串并聯(lián)組成合成電路，綜合噪聲電流等效電路的噪聲電流表示為：RfkTIT42R為合成電阻。在更為復(fù)雜的情況下，應(yīng)將所有電阻合成簡化電路，由上式確定噪聲等效電路。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 77由以上分析，并聯(lián)RC電路對噪聲的影響相當(dāng)于使電阻熱噪聲的頻譜

45、白噪聲變窄為等效噪聲帶寬fe，其物理意義：頻帶變窄后的噪聲非均勻分布曲線所圍圖形面積等于以fe為帶寬、4kTR為恒定幅值的矩形區(qū)面積。也就是說用均勻等幅的等效帶寬代替了實際噪聲頻譜的不均勻分布。2TUfefO 214ffdffRkT在電阻和電容C并聯(lián)的情況下，電容C的頻率特性使合成阻抗隨頻率的增加而減少，合成電阻表示為：221fRCRfR經(jīng)過變換推導(dǎo)，可得噪聲等效帶寬經(jīng)過變換推導(dǎo)，可得噪聲等效帶寬f fe e：RCfe41eTfkTRU 42這就是阻容電路熱噪聲的一般表示這就是阻容電路熱噪聲的一般表示式。適用于散粒噪聲計算。式。適用于散粒噪聲計算。f2TUf信號通頻帶OkTR4白噪聲噪聲電壓均

46、方值變?yōu)椋?信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 78光電系統(tǒng)中微弱的光信號被深埋在噪聲之中，要有效地利用這種信號，必光電系統(tǒng)中微弱的光信號被深埋在噪聲之中，要有效地利用這種信號，必要對其進行放大。光電檢測系統(tǒng)中，光電器件的輸出端緊密連接一個要對其進行放大。光電檢測系統(tǒng)中，光電器件的輸出端緊密連接一個低噪低噪聲前置放大器聲前置放大器。低噪聲前置放大器低噪聲前置放大器的任務(wù)：的任務(wù)： 1 1、放大光電檢測器件所輸出的微弱電信號；、放大光電檢測器件所輸出的微弱電信號； 2 2、匹配后置處理電路與檢測器件之間的阻抗。、匹配后置處理

47、電路與檢測器件之間的阻抗。對對前置放大器前置放大器的要求：的要求： 1 1、性能上性能上：低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號：低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號 帶寬和負載能力，以及良好的線性和抗干擾能力。帶寬和負載能力，以及良好的線性和抗干擾能力。 2 2、結(jié)構(gòu)上：結(jié)構(gòu)上：緊湊、靠近檢測器件，良好的接地與屏蔽。緊湊、靠近檢測器件，良好的接地與屏蔽。通常要求性能良好的低噪聲放大器作為光檢測器件的前置放大器。通常要求性能良好的低噪聲放大器作為光檢測器件的前置放大器。因此如何設(shè)計和應(yīng)用低噪聲放大器，如何將一定偏置狀態(tài)下的檢測器件因此如何設(shè)計和應(yīng)用低噪聲放大器，如何將一定偏置狀態(tài)下的檢測器件

48、與前置放大器耦合是必須考慮的重要問題。與前置放大器耦合是必須考慮的重要問題。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 79sRtEsUnEiEnIiZsoUnoE放大器無噪聲將放大器內(nèi)的所有噪聲源折算到輸入端，一個阻抗為零的噪聲電壓源將放大器內(nèi)的所有噪聲源折算到輸入端，一個阻抗為零的噪聲電壓源E En n串聯(lián)在輸入端和阻抗為無限大噪聲電流源串聯(lián)在輸入端和阻抗為無限大噪聲電流源I In n與輸入端并聯(lián)。放大器內(nèi)部與輸入端并聯(lián)。放大器內(nèi)部成為一個無噪聲放大器。成為一個無噪聲放大器。E En n和和I In n通過測量得到。這種等效

49、模型稱為放大器通過測量得到。這種等效模型稱為放大器的的E En n-I-In n噪聲模型。噪聲模型。信號源與放大器組成的系統(tǒng)的噪聲源信號源與放大器組成的系統(tǒng)的噪聲源為三個：為三個：E En n、I In n和和E Et t。用。用“等效輸入噪等效輸入噪聲聲E Enini”表示，可得等效噪聲源表達式：表示，可得等效噪聲源表達式：22222sntnniRIEEE考慮考慮E En n和和I In n相關(guān)性，引入相關(guān)項，等效輸入噪聲為：相關(guān)性，引入相關(guān)項，等效輸入噪聲為：snnsntnniRICERIEEE222222C C為相關(guān)系數(shù)為相關(guān)系數(shù) 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information

50、 optoelectronics research 80sRtEsUnEiEnIiZsoUnoE放大器無噪聲當(dāng)當(dāng)R Rs s很小時，很小時，E Enini2 2中主要是中主要是E En n2 2占優(yōu)勢。占優(yōu)勢。22222sntnniRIEEE22nRniEEs很小當(dāng)當(dāng)R Rs s很大時，很大時，E Enini2 2中主要以中主要以E Et t2 2和和I In n2 2R Rs s2 2為主，且為主，且stRE2222ssnRRI所以當(dāng)所以當(dāng)R Rs s足夠大時，足夠大時， E Enini2 2中主要是中主要是I In n2 2R Rs s2 2起作用。起作用。fkTREst4可得到可得到E

51、En n和和I In n的測量方法：的測量方法：放大器輸入端短路，即放大器輸入端短路，即R Rs s=0=0，測得放大器輸出端的噪聲電壓均方值為，測得放大器輸出端的噪聲電壓均方值為A Au uE En n，用，用A Au u除之，得除之，得E En n。A Au u為放大器電壓增益。為放大器電壓增益。取一個很大的電阻作為源電阻取一個很大的電阻作為源電阻R Rs s，測得放大器輸出端的噪聲電壓均方值，測得放大器輸出端的噪聲電壓均方值為為A Au uIIn nR Rs s，用，用A Au uRRs s除之，得除之，得I In n。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information opto

52、electronics research 81噪聲系數(shù)是描述放大器或其它電路的噪聲性能，噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)是描述放大器或其它電路的噪聲性能，噪聲系數(shù)F F的定義為的定義為放大器總輸出噪聲功率與源電阻在放大器輸出端的噪聲功率之比?？煞糯笃骺傒敵鲈肼暪β逝c源電阻在放大器輸出端的噪聲功率之比。可表示為：表示為：nipnoPAPFA Ap p為放大器的功率增益；為放大器的功率增益；P Pnini為放大器的輸入噪聲功率，即源電阻產(chǎn)生為放大器的輸入噪聲功率，即源電阻產(chǎn)生的噪聲功率；的噪聲功率；A Ap pP Pnini表示了源電阻在放大器輸出端產(chǎn)生的噪聲功率；表示了源電阻在放大器輸出端產(chǎn)生的噪聲功率；P P

53、nono為放大器輸出端總的噪聲功率。為放大器輸出端總的噪聲功率。輸出信噪比輸入信噪比nosonisiPPPPF引入引入A Ap p（輸出信號功率（輸出信號功率P Psoso與輸入信號與輸入信號P Psisi之比）表示式，噪聲系數(shù)可之比）表示式，噪聲系數(shù)可表示為：表示為： 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 82噪聲系數(shù)是對放大器引起信噪比惡化程度的量度，一個好的放大器應(yīng)該是在源熱噪聲的基礎(chǔ)上增加盡可能少的噪聲，使噪聲系數(shù)F接近于1?；蛘哒f使放大器的輸出信噪比接近于輸入信噪比。對式nipnoPAPF分子分母同除以Ap，并應(yīng)用

54、式fkTREst422222sntnniRIEEE和fkTRIfkTREEEFsnsntni4412222輸入端源電阻噪聲功率聲功率放大器總的等效輸入噪可得：式中f為放大系統(tǒng)的噪聲等效帶寬噪聲系數(shù)是功率比，可用分貝表示：FNFlg10噪聲系數(shù)主要是用于比較放大器的噪聲性能，不一定是放大器噪聲特性的最佳合適標(biāo)志。因為同一放大器，在源電阻增大，熱噪聲隨之增加，使得噪聲減小。但放大器本身噪聲性能并沒改變。這種噪聲系數(shù)的變小，對放大器本身設(shè)計沒有意義。只有在源電阻相同的情況下，減小噪聲系數(shù)才有意義。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics resear

55、ch 83fkTRIfkTREEEFsnsntni4412222式表明噪聲系數(shù)與源電阻Rs有關(guān)。當(dāng)Rs較小時，放大器的噪聲電壓En項大于其他兩項，隨源電阻Rs的增加，熱噪聲增加，噪聲系數(shù)由于源電阻熱噪聲的增大而減小。當(dāng)Rs增加到足夠大時，放大器的噪聲電流項InRs成為主要項，以至噪聲系數(shù)隨源電阻的增加而增加。在其中某個Rs值時，噪聲系數(shù)存在一個最小值，此時放大器在源熱噪聲基礎(chǔ)上噪聲增加最小，這個源電阻稱做最佳源電阻R0。22222sntnniRIEEE044122fkTRIfkTREdRddRdFsnsnss可得：nnsIERR0上式被稱為噪聲匹配條件，此時得噪聲系數(shù)最小值為：fkTIEFnn

56、21min滿足噪聲匹配條件時最小噪聲系數(shù)與放大器的En和In的乘積有關(guān)。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 84在實際多級放大器中，總的噪聲系數(shù)主要是由第一級噪聲系數(shù)F1決定。因此在級聯(lián)放大器設(shè)計中，盡量提高第一級的功率增益或電壓增益，盡量壓低第一級放大器的噪聲。低噪聲前置放大器的設(shè)計要求及步驟：1、首先滿足放大器間的噪聲指標(biāo)，考慮器件選取和低噪聲工作點的確立。注意滿足信號源阻抗與放大器間的噪聲匹配。2、考慮電路組態(tài)、級聯(lián)方式及負反饋等以滿足對放大器增益、頻率響應(yīng)、輸入輸出阻抗等方面的要求。3、為獲得良好的噪聲性能，通常還要采取避免外來干擾的多種措施。 信息光電子研究所信息光電子研究所 Information optoelectronics research 851. 噪聲匹配的方法要使前置放大器獲得最佳噪聲性能，必須滿