光電檢測電路的低噪聲設(shè)計(jì)

1、光學(xué)信號變換光學(xué)信號變換光電信號變換光電信號變換電學(xué)信號變換電學(xué)信號變換系統(tǒng)噪聲系統(tǒng)噪聲外部噪聲外部噪聲內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲包括：包括：輻射源的隨機(jī)波動和附加的光調(diào)制、光路傳輻射源的隨機(jī)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、雜散光的入射以及檢測輸介質(zhì)的湍流和背景起伏、雜散光的入射以及檢測電路所受到的電磁干擾等電路所受到的電磁干擾等 可以通過穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振片或可以通過穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振片或?yàn)V色片減小或消除，對電磁干擾采用電氣屏蔽、電濾色片減小或消除，對電磁干擾采用電氣屏蔽、電干擾濾波等措施加以改善或消除。干擾濾波等措施加以改善或消除。 光電檢測器件、檢測電

2、路等器件的固有噪聲，是基光電檢測器件、檢測電路等器件的固有噪聲，是基本物理過程決定的，不可人為消除。本物理過程決定的，不可人為消除。噪聲和有用信號同時(shí)存在、相互混淆，影響信號檢測的準(zhǔn)確性，噪聲和有用信號同時(shí)存在、相互混淆，影響信號檢測的準(zhǔn)確性，限制了檢測系統(tǒng)分辨率的提高限制了檢測系統(tǒng)分辨率的提高 。光電信號處理的核心問題之一就。光電信號處理的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有用信號。因此，是有關(guān)噪聲干擾的分析以及如何從噪聲中提取有用信號。因此，在光電檢測電路設(shè)計(jì)中，要進(jìn)行綜合噪聲估算以確?？煽繖z測所在光電檢測電路設(shè)計(jì)中，要進(jìn)行綜合噪聲估算以確?？煽繖z測所必需的信噪比。必需

3、的信噪比。 問題的提出問題的提出 探測器噪聲探測器噪聲輸入偏置電路噪聲輸入偏置電路噪聲 前置放大器噪聲前置放大器噪聲光電檢測電路噪聲光電檢測電路噪聲問題的提出問題的提出 前置放大器噪聲設(shè)計(jì)前置放大器噪聲設(shè)計(jì)光電檢測電路的噪聲等效處理及估算光電檢測電路的噪聲等效處理及估算1噪聲類型噪聲類型 熱噪聲熱噪聲是導(dǎo)電材料中由于載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動而在材料是導(dǎo)電材料中由于載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動而在材料兩端產(chǎn)生的隨機(jī)漲落電壓，是兩端產(chǎn)生的隨機(jī)漲落電壓，是電阻性電路器件的共電阻性電路器件的共性噪聲性噪聲。噪聲電壓均方值取決于材料的。噪聲電壓均方值取決于材料的溫度溫度 fkTRUT4寬為熱噪聲的頻譜分布帶12ff

4、fRfkTIT4噪聲功率與頻率無關(guān)，為白噪聲噪聲功率與頻率無關(guān)，為白噪聲檢測電路檢測電路通頻帶通頻帶對白噪聲輸出電壓有很強(qiáng)的抑制作用對白噪聲輸出電壓有很強(qiáng)的抑制作用 如對于室溫下如對于室溫下R=1M電阻電阻: 電路放大倍數(shù)為電路放大倍數(shù)為1VUMHzfVUkHzfTT400103 .2230時(shí)，時(shí)，21)(42ffTdffRkTU10.2.110.2.1光電檢測電路的噪聲等效處理及估算光電檢測電路的噪聲等效處理及估算散粒噪聲散粒噪聲探測器的散粒噪聲是由載流子的由載流子的微粒性引起的。探測器的散粒噪聲是由載流子的由載流子的微粒性引起的。光輻射中光子到達(dá)率的起伏，光電子從材料表面逸出的隨機(jī)光輻射中

5、光子到達(dá)率的起伏，光電子從材料表面逸出的隨機(jī)性，性，PN結(jié)中過結(jié)數(shù)的隨機(jī)性。結(jié)中過結(jié)數(shù)的隨機(jī)性。和熱噪聲不同，散粒噪聲的量值不和熱噪聲不同，散粒噪聲的量值不取決于溫度，而由流過器件的平均取決于溫度，而由流過器件的平均電流決定，散粒噪聲電流和電壓均電流決定，散粒噪聲電流和電壓均方值方值 ：fqIRUfqIIDCnsDCns22因光或熱激發(fā)產(chǎn)生載流子和載流子復(fù)合這兩個(gè)隨機(jī)過程，在平因光或熱激發(fā)產(chǎn)生載流子和載流子復(fù)合這兩個(gè)隨機(jī)過程，在平衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的，但在某一衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的，但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)會使載流子濃度起伏引起電流隨瞬間

6、載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)會使載流子濃度起伏引起電流隨機(jī)起伏，機(jī)起伏， fqIMIng42)(414ffqIMIng產(chǎn)生與復(fù)合噪聲產(chǎn)生與復(fù)合噪聲噪聲電流噪聲電流相對低頻狀況相對低頻狀況1/f噪聲噪聲閃爍噪聲：稱閃爍噪聲：稱1/f 噪聲或低頻噪聲，由元器件噪聲或低頻噪聲，由元器件中存在局部缺陷或有微量雜質(zhì)所引起的；中存在局部缺陷或有微量雜質(zhì)所引起的；ffIkInf/21噪聲電流噪聲電流2 噪聲等效處理噪聲等效處理 將各種器件的噪聲等效為相同形式的均將各種器件的噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式方值（或有效值）電流源的形式 a 單一電阻單一電阻b 電阻串聯(lián)電阻串聯(lián)c 電阻并聯(lián)電阻并聯(lián)綜

7、合噪聲電流：綜合噪聲電流：RfkTInT42a 電阻電路電阻電路 RfkTIT4R等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬:b 并聯(lián)并聯(lián)RC電路：電路： dffRkTUffT21)(42fkTRUT 42純電阻：2)2(1)(fRCRfRRC并聯(lián)：RCkTRUT4142RCfe41eTfkTRU42并聯(lián)并聯(lián)RC電路對噪聲的影響相當(dāng)于使電路對噪聲的影響相當(dāng)于使電阻熱噪聲的頻譜分布是由白噪聲電阻熱噪聲的頻譜分布是由白噪聲變窄為等效噪聲帶寬變窄為等效噪聲帶寬fe等效噪聲帶寬 確定器件和電路的確定器件和電路的固有噪聲電平固有噪聲電平 計(jì)算計(jì)算信噪比信噪比 估算出為保證可靠檢測所必須的估算出為保證可靠檢測所必須的最小輸

8、入光功率值最小輸入光功率值3 典型光電檢測電路的噪聲估算典型光電檢測電路的噪聲估算 檢測電路噪聲估算的目的：檢測電路噪聲估算的目的：噪聲估算的具體步驟是噪聲估算的具體步驟是： 首先首先確定確定檢測器件和前級電路的檢測器件和前級電路的噪聲源噪聲源 其次其次計(jì)算計(jì)算等效電阻和復(fù)合阻抗下的等效電阻和復(fù)合阻抗下的噪聲等效帶寬，畫出噪聲等效帶寬，畫出檢測檢測電路的噪聲電路的噪聲等效電路等效電路 最后根據(jù)噪聲等效電路最后根據(jù)噪聲等效電路計(jì)算計(jì)算噪聲輸出噪聲輸出電壓、信噪比和最小輸電壓、信噪比和最小輸入光功率值入光功率值例例1：P332 ,光電倍增管的陰極積分靈敏度光電倍增管的陰極積分靈敏度SK=30A/l

9、m，陽極積分靈敏度陽極積分靈敏度SA=10A/lm，陽極暗電流，陽極暗電流Id=4nA，輸出電路，輸出電路的負(fù)載電阻為的負(fù)載電阻為R=105，并和電容，并和電容C=0.1F并聯(lián)，陰極面積為并聯(lián)，陰極面積為80mm2，陽極輸出的信號電流為，陽極輸出的信號電流為10A.fqMIIAnA25 .2取光電倍增管光電倍增管 噪聲源噪聲源光電陰極和倍增極的散粒噪聲光電陰極和倍增極的散粒噪聲 負(fù)載電阻負(fù)載電阻R上的熱噪聲上的熱噪聲 eAnAfqMII2RfkTIenr4nrnAII主要噪聲主要噪聲噪聲等效帶寬噪聲等效帶寬噪聲噪聲等效電路等效電路電路帶寬 RCf41e 等效噪聲帶寬 RCf21光電倍增管光電倍

10、增管 陽極輸出噪聲電流為：陽極輸出噪聲電流為： RIUnAneAnAfqMII2陽極輸出總信噪比陽極輸出總信噪比: nAAAIISNR 最小輸入光功率值最小輸入光功率值:AdAndSfKqMISI2minNEPfAD*5 .2取負(fù)載噪聲電壓為：負(fù)載噪聲電壓為： 性能上：性能上：低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號帶寬和負(fù)載能力，以及良好的線性和抗干擾能力和負(fù)載能力，以及良好的線性和抗干擾能力 結(jié)構(gòu)上：結(jié)構(gòu)上：緊湊、靠近光電探測器件，良好的接地和屏蔽緊湊、靠近光電探測器件，良好的接地和屏蔽10.2.2光電信號前置放大器的設(shè)計(jì)光電信號前置放大器的設(shè)計(jì) 前

11、置放大器的任務(wù)：前置放大器的任務(wù)： 放大光電探測器輸出的微弱電信號放大光電探測器輸出的微弱電信號 匹配后置處理電路與探測器件之間的阻抗匹配后置處理電路與探測器件之間的阻抗 對前置放大器的要求：對前置放大器的要求： 1.放大器放大器EnIn噪聲模型噪聲模型 EnIn噪聲模型噪聲模型將放大器內(nèi)部的所有噪聲源都折算到輸入端，將放大器內(nèi)部的所有噪聲源都折算到輸入端，即用阻抗為零的噪聲電壓發(fā)生器即用阻抗為零的噪聲電壓發(fā)生器En和輸入端串聯(lián)，用阻抗為無限和輸入端串聯(lián)，用阻抗為無限大的噪聲電流發(fā)生器大的噪聲電流發(fā)生器In和輸入端并聯(lián)，而放大器內(nèi)部成為一個(gè)無和輸入端并聯(lián)，而放大器內(nèi)部成為一個(gè)無噪聲的理想放大電

12、路。噪聲的理想放大電路。2.等效輸入噪聲：等效輸入噪聲： niEnsESVnEsRnIsoVnoEnnnsIEE,nsESVnEsRnIsoVnoE2.等效輸入噪聲：等效輸入噪聲： ssotVVA 系統(tǒng)的增益：sisoVVVA 放大器的增益：siiVtRZZAA二者關(guān)系：iE放大器輸入端噪聲電壓：放大器輸入端噪聲電壓：222222222)()()(iissnisinnsiZZRRIZRZEEE222iVnoEAEtnoniAEE2.等效輸入噪聲：等效輸入噪聲： nsESVnEsRnIsoVnoEniEfkTREsns 423.EnIn的測量的測量202nRnisEERs很小時(shí)：當(dāng)222snRn

13、isRIERs很大很大時(shí)：當(dāng)En的測量方法：的測量方法：在放大器輸入端短路，即信號源內(nèi)阻在放大器輸入端短路，即信號源內(nèi)阻Rs0 的條的條件下測量總輸出噪聲，即為件下測量總輸出噪聲，即為AvEn，然后除以放大器增益，然后除以放大器增益Av，就，就得到得到En。In的測量方法：的測量方法：采用大的（信號）源電阻（或輸入端開路）條件下，采用大的（信號）源電阻（或輸入端開路）條件下，測得放大器輸出噪聲電壓，除以系統(tǒng)增益測得放大器輸出噪聲電壓，除以系統(tǒng)增益Av和和Rs，就得到，就得到In。 4.噪聲系數(shù)噪聲系數(shù):nosonisiPPPPniPnoPAP22nsniniPnoniPnoEEPAPPAPFN

14、F=10lgF （dB）用分貝表示：用分貝表示： 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)F反映了放大器的噪聲使系統(tǒng)信噪比變壞的程度，是反映了放大器的噪聲使系統(tǒng)信噪比變壞的程度，是衡量放大器噪聲性能好壞的重要指標(biāo)。低噪聲設(shè)計(jì)的目的既是衡量放大器噪聲性能好壞的重要指標(biāo)。低噪聲設(shè)計(jì)的目的既是使使NF盡可能的小。盡可能的小。 fkTRIfkTREsnsn441225. 噪聲匹配噪聲匹配fkTRIfkTREF441s2ns2n0sRFnnsoptsIERRfkTIEF 21nnmin當(dāng)探測器的內(nèi)阻當(dāng)探測器的內(nèi)阻等于放大器的最佳源電阻值等于放大器的最佳源電阻值時(shí)，放大器時(shí)，放大器對檢測電路附加的對檢測電路附加的噪聲最小噪聲最小

15、，稱為探測器與放大器之間，稱為探測器與放大器之間達(dá)到了達(dá)到了噪聲匹配噪聲匹配。 最佳源電阻最佳源電阻n級級聯(lián)放大電路級級聯(lián)放大電路噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)：1nP2P1Pn2P1P31P21111AAAFAAFAFFF AP1很大時(shí)，很大時(shí)，F(xiàn) F1前置放大器的噪聲貢獻(xiàn)前置放大器的噪聲貢獻(xiàn)例例1：光電倍增管和雪崩光電二極管：光電倍增管和雪崩光電二極管 高內(nèi)增益高內(nèi)增益 例例2：光電二極管：光電二極管 無內(nèi)增益無內(nèi)增益 最佳源電阻最佳源電阻 噪聲系數(shù)最小噪聲系數(shù)最小6低噪聲設(shè)計(jì)低噪聲設(shè)計(jì)有源器件的選取有源器件的選取常用器件最佳源電阻分布示意圖常用器件最佳源電阻分布示意圖Rs較小時(shí)：較小時(shí)：100-1M

16、，如，如光電池，選用由晶體管或集成光電池，選用由晶體管或集成運(yùn)放構(gòu)成的低噪聲放大電路。運(yùn)放構(gòu)成的低噪聲放大電路。Rs較大時(shí)：較大時(shí)：1K-10M，選用由場效應(yīng)管構(gòu)成的低噪聲放大電路。，選用由場效應(yīng)管構(gòu)成的低噪聲放大電路。Rs再大時(shí)：再大時(shí)：1M-10G，選用由，選用由MOS場效應(yīng)管構(gòu)成的低噪聲放場效應(yīng)管構(gòu)成的低噪聲放大電路。大電路。采用輸入變壓器耦合：采用輸入變壓器耦合：根據(jù)變壓器的變化關(guān)系，次級上的信噪比根據(jù)變壓器的變化關(guān)系，次級上的信噪比沒有變化，而等效源電阻卻增為沒有變化，而等效源電阻卻增為n2RS，適當(dāng)選擇，適當(dāng)選擇n，可實(shí)現(xiàn)噪，可實(shí)現(xiàn)噪聲匹配。適用于源電阻較小時(shí)。聲匹配。適用于源電阻較小時(shí)。ssoptRnR21）噪聲匹配的方法）噪聲匹配的方法輸入放大器并聯(lián)輸入放大器并聯(lián)nRRsoptsopt適用于源電阻較小時(shí)或放大器的適用于源電阻較小時(shí)或放大器的最佳源電阻較大時(shí)。最佳源電阻較大時(shí)。 與探測器串聯(lián)的阻抗元件，應(yīng)滿足：與探測器串聯(lián)的阻抗元件，應(yīng)滿足： 與探測器并聯(lián)的阻抗元件，應(yīng)滿足：與探測器并聯(lián)的阻抗元件，應(yīng)滿足：無源器件的選取無源器件的選取電阻：選用噪聲較小的金屬膜