第6章光電信號(hào)的變換及檢測(cè)技術(shù)ppt課件

1、LOGO第第6章章 光電信號(hào)的變換及光電信號(hào)的變換及檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)技術(shù)26.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲6.2 前置放大器前置放大器6.3 常用電路介紹常用電路介紹6.4 光電技術(shù)中的調(diào)制技術(shù)光電技術(shù)中的調(diào)制技術(shù)3光電檢測(cè)系統(tǒng)組成光電檢測(cè)系統(tǒng)組成第第6章章 光電信號(hào)的光電信號(hào)的變換及檢測(cè)技術(shù)變換及檢測(cè)技術(shù)1、光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)、光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng) 具備較強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換能力，是對(duì)光電檢測(cè)電路具備較強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)換能力，是對(duì)光電檢測(cè)電路的最基本要求。的最基本要求。 表示光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)弱的參數(shù)，通常采用光電表示光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)弱的參數(shù)，通常采用光電靈敏度，即單位輸入光信號(hào)的變化量所引起的靈敏度，即

2、單位輸入光信號(hào)的變化量所引起的輸出信號(hào)的變化量。輸出信號(hào)的變化量。2、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快 光電檢測(cè)電路應(yīng)滿足信號(hào)通道所要求的頻率選擇光電檢測(cè)電路應(yīng)滿足信號(hào)通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘?hào)的快速響應(yīng)。性或?qū)λ沧冃盘?hào)的快速響應(yīng)。 3、信號(hào)檢測(cè)能力強(qiáng)、信號(hào)檢測(cè)能力強(qiáng) 信號(hào)檢測(cè)能力，主要是指光電檢測(cè)電路輸出信信號(hào)檢測(cè)能力，主要是指光電檢測(cè)電路輸出信號(hào)中有用信號(hào)成分的多少，常用信噪比、功率號(hào)中有用信號(hào)成分的多少，常用信噪比、功率等參數(shù)表征。通常要求光電檢測(cè)電路具有可靠等參數(shù)表征。通常要求光電檢測(cè)電路具有可靠檢測(cè)所必須的信噪比或最小可檢測(cè)信號(hào)功率。檢測(cè)所必須的信噪比或最小可檢測(cè)信號(hào)功率。4、

3、穩(wěn)定性、可靠性好、穩(wěn)定性、可靠性好 光電檢測(cè)電路在長(zhǎng)期工作的情況下應(yīng)該穩(wěn)定、光電檢測(cè)電路在長(zhǎng)期工作的情況下應(yīng)該穩(wěn)定、可靠，特別是在一些特殊場(chǎng)合下，對(duì)穩(wěn)定性、可可靠，特別是在一些特殊場(chǎng)合下，對(duì)穩(wěn)定性、可靠性的要求會(huì)更高。靠性的要求會(huì)更高。 噪聲噪聲 外部原因外部原因 內(nèi)部原因內(nèi)部原因 人為噪聲人為噪聲 自然噪聲自然噪聲散粒噪聲散粒噪聲 產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲 1/f 噪聲噪聲 熱噪聲熱噪聲 溫度噪聲溫度噪聲 放大器噪聲放大器噪聲 6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲76.1.1 噪聲的分類及性質(zhì)噪聲的分類及性質(zhì)噪聲強(qiáng)度可采用噪聲電壓或噪聲電流的均方值噪聲強(qiáng)度可采用噪聲電壓或噪聲

4、電流的均方值 、 表示。表示。簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)化為 、 ，均方根值則可用，均方根值則可用 和和 表示。表示。2nE2nI2nE2nInEnI 固有噪聲是隨機(jī)過(guò)程，噪聲電壓的瞬時(shí)值可取不同值固有噪聲是隨機(jī)過(guò)程，噪聲電壓的瞬時(shí)值可取不同值E1E1， E2E2， Ei Ei，而對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的概率，而對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的概率P(E1)P(E1)，P(E2)P(E2)，P(Ei)P(Ei)，其分布規(guī)律符合高斯分布。，其分布規(guī)律符合高斯分布。n n次采樣的算術(shù)平均次采樣的算術(shù)平均值值E E為為nEEEEEni/ 216.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲86.1.2 主要的噪聲類型主要的噪聲類型1. 1. 電阻熱

5、噪聲電阻熱噪聲Thermal noiseThermal noise）由自由電子的熱運(yùn)動(dòng)形成起的伏變化的噪聲電流由自由電子的熱運(yùn)動(dòng)形成起的伏變化的噪聲電流k 0k 0）。）。常用噪聲電流的均方值常用噪聲電流的均方值 表示表示 2nTIRfkTInT42式中式中 R所討論元件的電阻值；所討論元件的電阻值； k玻爾茲曼常數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)，k=1.380650510-23 J/K ； T 電阻所處環(huán)境的絕對(duì)溫度；電阻所處環(huán)境的絕對(duì)溫度； f所用測(cè)量系統(tǒng)的頻帶寬度。所用測(cè)量系統(tǒng)的頻帶寬度。 6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲9電阻熱噪聲電阻熱噪聲電阻熱噪聲的等效電路電阻熱噪聲的等效電路

6、6.1.2 主要的噪聲類型主要的噪聲類型1. 1. 電阻熱噪聲電阻熱噪聲Thermal noiseThermal noise）6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲102. 2. 散彈噪聲又稱散粒噪聲）散彈噪聲又稱散粒噪聲）元器件中有直流電流通過(guò)時(shí)，直流電流值只表征其平均值；元器件中有直流電流通過(guò)時(shí)，直流電流值只表征其平均值；微觀的隨機(jī)起伏形成散彈噪聲，并疊加在直流電平上。微觀的隨機(jī)起伏形成散彈噪聲，并疊加在直流電平上。散彈噪聲的電流均方值為散彈噪聲的電流均方值為fqIIDCnsh 22q 為電子電荷；為電子電荷；IDC 為流過(guò)電流的直流分量。為流過(guò)電流的直流分量。散彈噪聲的順勢(shì)

7、變化散彈噪聲的順勢(shì)變化6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲11由元器件中存在局部缺陷或有微量雜質(zhì)所引起的。由元器件中存在局部缺陷或有微量雜質(zhì)所引起的。在探測(cè)器、電阻、晶體管及電子管中均有這類噪聲。在探測(cè)器、電阻、晶體管及電子管中均有這類噪聲。3. 3. 噪聲噪聲Flicker noiseFlicker noise）f1噪聲有以下經(jīng)驗(yàn)公式：噪聲有以下經(jīng)驗(yàn)公式： ffIkIn12k1與元件有關(guān)的參數(shù)；與元件有關(guān)的參數(shù)；與流過(guò)元器件電流有關(guān)的常數(shù)，通常取與流過(guò)元器件電流有關(guān)的常數(shù)，通常取2與元器件材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，約在與元器件材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，約在0.81.3之間，常取之間，常取

8、1。 噪聲的電流均方值與電路頻率噪聲的電流均方值與電路頻率 f f 成反比，所以稱之為成反比，所以稱之為 噪聲，它噪聲，它不為白噪聲，噪聲功率譜集中在低頻，有時(shí)又稱其為低頻噪聲。不為白噪聲，噪聲功率譜集中在低頻，有時(shí)又稱其為低頻噪聲。f1f16.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲12 光電導(dǎo)探測(cè)器因光光電導(dǎo)探測(cè)器因光( (或熱或熱) )激發(fā)產(chǎn)生載流子和載流子復(fù)合激發(fā)產(chǎn)生載流子和載流子復(fù)合( (或或壽命壽命) )這兩個(gè)隨機(jī)性過(guò)程，引起電流的隨機(jī)起伏形成產(chǎn)生這兩個(gè)隨機(jī)性過(guò)程，引起電流的隨機(jī)起伏形成產(chǎn)生復(fù)合復(fù)合噪聲。噪聲。4. 產(chǎn)生產(chǎn)生復(fù)合噪聲復(fù)合噪聲 ( gr噪聲噪聲 ) I流過(guò)光電

9、導(dǎo)器件的平均電流；流過(guò)光電導(dǎo)器件的平均電流；載流子的平均壽命；載流子的平均壽命；e載流子在光電導(dǎo)器件兩電極間的平均漂移時(shí)間；載流子在光電導(dǎo)器件兩電極間的平均漂移時(shí)間；f測(cè)量電路的帶寬。測(cè)量電路的帶寬。 fqIIcn)/(42該式與散彈噪聲表達(dá)式相類似，可認(rèn)為是近似的白噪聲。該式與散彈噪聲表達(dá)式相類似，可認(rèn)為是近似的白噪聲。6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲13因其溫度起伏所引起的噪聲。因其溫度起伏所引起的噪聲。 k一波爾茲曼常數(shù)；一波爾茲曼常數(shù)；T熱敏器件的絕對(duì)溫度；熱敏器件的絕對(duì)溫度；GQ器件的熱導(dǎo)。器件的熱導(dǎo)。5. 溫度噪聲溫度噪聲)1 (42222wGfkTTQn6.

10、背景輻射的光子噪聲背景輻射的光子噪聲 探測(cè)器接收目標(biāo)輻射，也接收到目標(biāo)以外其它物體的輻射，這探測(cè)器接收目標(biāo)輻射，也接收到目標(biāo)以外其它物體的輻射，這些輻射也是一種不連續(xù)的起伏過(guò)程。這種因背景輻射起伏引起探測(cè)些輻射也是一種不連續(xù)的起伏過(guò)程。這種因背景輻射起伏引起探測(cè)器產(chǎn)生的噪聲叫做背景輻射的光子噪聲。器產(chǎn)生的噪聲叫做背景輻射的光子噪聲。 6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲 前置放大器是指置于信源與放大器級(jí)之間的電路或電子前置放大器是指置于信源與放大器級(jí)之間的電路或電子設(shè)備第一級(jí)放大器），是專為接收來(lái)自信源的微弱電設(shè)備第一級(jí)放大器），是專為接收來(lái)自信源的微弱電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的。壓信號(hào)

11、而設(shè)計(jì)的。 前置放大器在放大有用信號(hào)的同時(shí)也將噪聲放大，低噪前置放大器在放大有用信號(hào)的同時(shí)也將噪聲放大，低噪聲前置放大器就是使電路的噪聲系數(shù)達(dá)到最小值的前置聲前置放大器就是使電路的噪聲系數(shù)達(dá)到最小值的前置放大器。放大器。6.1.3 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲探測(cè)器前置放大Cs輻射源主放大器屏蔽電纜線探測(cè)器前置放大Cs輻射源主放大器屏蔽電纜線前置放大器的作用前置放大器的作用u 從探測(cè)器輸出端獲得所需的電信號(hào)能量、時(shí)間）；從探測(cè)器輸出端獲得所需的電信號(hào)能量、時(shí)間）； u 預(yù)放大探測(cè)器的輸出信號(hào)，以獲得較好的信號(hào)噪聲比；預(yù)放大探測(cè)器的輸出信號(hào)

12、，以獲得較好的信號(hào)噪聲比； u 進(jìn)行阻抗變換和匹配，減少信號(hào)傳輸中的干擾。進(jìn)行阻抗變換和匹配，減少信號(hào)傳輸中的干擾。放大倍數(shù)以及成形時(shí)間常數(shù)的調(diào)節(jié)，則主要由主放大器來(lái)完成。放大倍數(shù)以及成形時(shí)間常數(shù)的調(diào)節(jié)，則主要由主放大器來(lái)完成。前置放大器一般可認(rèn)為是一個(gè)阻抗轉(zhuǎn)換器，具有高輸入阻抗、低輸前置放大器一般可認(rèn)為是一個(gè)阻抗轉(zhuǎn)換器，具有高輸入阻抗、低輸出阻抗。出阻抗。探測(cè)器通常要求后級(jí)有高的輸入阻抗以利于信號(hào)輸出；探測(cè)器通常要求后級(jí)有高的輸入阻抗以利于信號(hào)輸出；主放大器則要求有能與其阻抗相匹配的低的輸出阻抗及傳遞信號(hào)。主放大器則要求有能與其阻抗相匹配的低的輸出阻抗及傳遞信號(hào)。6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪

13、聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲基本放大電路及其?；痉糯箅娐芳捌淠Ｐ托桶摧斎胄盘?hào)與輸出信號(hào)的按輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的不同組合方式，放大電路不同組合方式，放大電路有四種基本類型：有四種基本類型：iouoiouo輸出信號(hào)輸出信號(hào)xo跨導(dǎo)增益跨導(dǎo)增益ui跨導(dǎo)放大器跨導(dǎo)放大器跨阻增益跨阻增益ii跨阻放大器跨阻放大器電流增益電流增益ii電流放大器電流放大器電壓增益電壓增益ui電壓放大器電壓放大器電路增益電路增益 ( 放大能力放大能力)輸入信號(hào)輸入信號(hào)xi類型類型iouuuA/ ioiiiA/ ioriuA/ ioguiA/ xixo放放大大器器信信號(hào)號(hào)源源負(fù)負(fù)載載下面介紹四種放大器的簡(jiǎn)單模型，了解它們之間的本質(zhì)

14、下面介紹四種放大器的簡(jiǎn)單模型，了解它們之間的本質(zhì)區(qū)別和聯(lián)系。區(qū)別和聯(lián)系?；痉糯箅娐芳捌淠Ｐ突痉糯箅娐芳捌淠Ｐ蛒ixo放放大大器器信信號(hào)號(hào)源源負(fù)負(fù)載載+ui-+uo-iiio對(duì)信號(hào)而言，任何放大電對(duì)信號(hào)而言，任何放大電路均可看成二端口網(wǎng)絡(luò)。路均可看成二端口網(wǎng)絡(luò)。信號(hào)源內(nèi)阻信號(hào)源內(nèi)阻信號(hào)源信號(hào)源輸入電壓輸入電壓輸入電流輸入電流輸出電壓輸出電壓輸出電流輸出電流RsusRiuoRORL輸入電阻輸入電阻輸出電阻輸出電阻輸入電阻輸入電阻Ri： 用來(lái)描述放大電路對(duì)信號(hào)源索取電流的大小，也表示用來(lái)描述放大電路對(duì)信號(hào)源索取電流的大小，也表示放大器對(duì)信號(hào)源的影響程度。放大器對(duì)信號(hào)源的影響程度。從放大電路輸入端

15、看進(jìn)去的等效電阻。從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻。,/iiiiuR 輸出電阻輸出電阻Ro：描述放大電路帶負(fù)載能力的指標(biāo)。描述放大電路帶負(fù)載能力的指標(biāo)。（1電壓放大器：電壓放大器：輸入是電壓信號(hào)，輸出輸入是電壓信號(hào)，輸出也是電壓信號(hào)，是一種也是電壓信號(hào)，是一種電壓控制電壓源。電壓控制電壓源。 LoLiuooRRRuAu RsusRiAuouiRoRL+ui-+uo-iiio電壓增益電壓增益Au：LoLuoiouRRRAuuA 當(dāng)當(dāng)RL =時(shí)，時(shí)，Au=Auo ，Auo稱為開(kāi)路電壓增益稱為開(kāi)路電壓增益Ro越小，越小， Au越穩(wěn)定，放大器的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。越穩(wěn)定，放大器的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。,sisi

16、iuRRRu 為使為使ui盡可能接近盡可能接近us 提高電源利用率，提高電源利用率，Ri越大越好。越大越好。輸入電阻輸入電阻Ri： ,iiiiuR 為提高電源利用率和帶負(fù)載能力，設(shè)計(jì)電壓放大器時(shí)應(yīng)滿足為提高電源利用率和帶負(fù)載能力，設(shè)計(jì)電壓放大器時(shí)應(yīng)滿足RoRs。理想電壓放大器的條件是。理想電壓放大器的條件是Ro=0和和Ri = ，此時(shí)，此時(shí)，Au恒等于恒等于Auo ，而其電流增益和功率增益恒等于無(wú)窮大。，而其電流增益和功率增益恒等于無(wú)窮大。 （2電流放大器：電流放大器：輸入信號(hào)是電流，輸出輸入信號(hào)是電流，輸出信號(hào)也是電流，是一種信號(hào)也是電流，是一種電流控制電流源。電流控制電流源。 輸入電阻輸入

17、電阻Ri： LooiiooRRRiAi ,/iiiiuR 電流增益電流增益Ai：當(dāng)當(dāng)RL =0時(shí)，時(shí)，Ai=Aio ， Aio稱為短路電流增益稱為短路電流增益Ro越大，越大， Ai越穩(wěn)定，放大器的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。越穩(wěn)定，放大器的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。,siSSiiRRRi 為使為使ii盡可能接近盡可能接近is 提高電源利用率，提高電源利用率，Ri越小越好。越小越好。RsisRiAioiiRoRL+uo-+ui-iiioLooioioiRRRAiiA 為提高電源利用率和帶負(fù)載能力，設(shè)計(jì)電流放大器時(shí)應(yīng)滿足為提高電源利用率和帶負(fù)載能力，設(shè)計(jì)電流放大器時(shí)應(yīng)滿足RoRL，RiRs。理想電流放大器的條件是。理想

18、電流放大器的條件是Ro= 和和Ri = 0，此，此時(shí)，時(shí)，Ai恒等于恒等于Aio ，而其電壓增益和功率增益恒等于無(wú)窮大。，而其電壓增益和功率增益恒等于無(wú)窮大。 （5四種基本放大器的區(qū)別和聯(lián)系四種基本放大器的區(qū)別和聯(lián)系區(qū)別是：區(qū)別是：增益的量綱不同增益的量綱不同對(duì)輸出電阻的要求不同對(duì)輸出電阻的要求不同對(duì)輸入電阻的要求不同對(duì)輸入電阻的要求不同以電壓作為輸出量的放大器要求以電壓作為輸出量的放大器要求Ro RL以電壓作為輸入量的放大器要求以電壓作為輸入量的放大器要求Ri Rs以電流作為輸入量的放大器要求以電流作為輸入量的放大器要求Ri1。pninoKPPF oinosonisisipnisinoSNR

19、SNRPPPPPKPPPF/6.1.3 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲v 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)F F常用常用dBdB表示為噪聲因數(shù)表示為噪聲因數(shù)NF:NF:v NFNF表征在不可避免的信號(hào)源噪聲之上由放大器增加的噪表征在不可避免的信號(hào)源噪聲之上由放大器增加的噪聲功率。聲功率。)(lg10dBFNF 6.1.3 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲v 為簡(jiǎn)單計(jì)，設(shè)級(jí)數(shù)為簡(jiǎn)單計(jì)，設(shè)級(jí)數(shù)M=3M=3，各級(jí)放大器本身產(chǎn)生的噪聲功率分，各級(jí)放大器本身產(chǎn)生的噪聲功率分別為別為P1P1，P2P2，P3P3，第一

20、級(jí)放大器的輸入噪聲功率為，第一級(jí)放大器的輸入噪聲功率為PniPni，則，則最后一級(jí)的輸出噪聲功率最后一級(jí)的輸出噪聲功率PnoPno為為 323132321PPKPKKPKKKPnino多聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)多聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲21312111KKFKFFF級(jí)聯(lián)放大器總的噪聲系數(shù)級(jí)聯(lián)放大器總的噪聲系數(shù)F F 可推導(dǎo)出計(jì)算可推導(dǎo)出計(jì)算M M級(jí)級(jí)聯(lián)放大器總的噪聲系數(shù)級(jí)級(jí)聯(lián)放大器總的噪聲系數(shù)F F的弗里斯公式的弗里斯公式 121213121111 MMKKKFKKFKFFFu 級(jí)聯(lián)放大器中各級(jí)的噪聲系數(shù)對(duì)總噪聲的影響是不同級(jí)聯(lián)放大器中各級(jí)的噪聲系數(shù)對(duì)總

21、噪聲的影響是不同u 的，越是前級(jí)影響越大，第一級(jí)影響最大。的，越是前級(jí)影響越大，第一級(jí)影響最大。u 如果第一級(jí)的功率放大倍數(shù)如果第一級(jí)的功率放大倍數(shù)K1K1足夠大，則系統(tǒng)總的噪聲足夠大，則系統(tǒng)總的噪聲u 系數(shù)系數(shù)F F主要取決于第一級(jí)的噪聲系數(shù)主要取決于第一級(jí)的噪聲系數(shù)F1F1。u 在設(shè)計(jì)用于微弱信號(hào)檢測(cè)的低噪聲系統(tǒng)時(shí)，必須確保第在設(shè)計(jì)用于微弱信號(hào)檢測(cè)的低噪聲系統(tǒng)時(shí)，必須確保第u 一級(jí)的噪聲系數(shù)足夠小。一級(jí)的噪聲系數(shù)足夠小。6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲噪聲產(chǎn)生原因噪聲產(chǎn)生原因v 低噪聲半導(dǎo)體器件的選擇低噪聲半導(dǎo)體器件的選擇v 確定電路級(jí)數(shù)和工作電路組態(tài)確定電路級(jí)數(shù)和工作

22、電路組態(tài)v 確定低噪聲工作點(diǎn)確定低噪聲工作點(diǎn)v 噪聲匹配噪聲匹配v 確定抑制外來(lái)干擾的技術(shù)措施確定抑制外來(lái)干擾的技術(shù)措施抑制措施抑制措施v 元器件不理想內(nèi)因）元器件不理想內(nèi)因）v 放大電路的工作條件不理放大電路的工作條件不理想外因）想外因）6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲6.1.3 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲光電器件放大過(guò)程中的噪聲光電器件放大過(guò)程中的噪聲6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲6.1.3 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲三極管放大電路中的噪聲三極管放大電路中的噪聲 放大電路中電阻的熱噪聲放大電路中電阻的熱噪聲 三極管的噪聲所構(gòu)成三極管的噪

23、聲所構(gòu)成v 把所有噪聲源折合到放大器的輸入端，用輸入端的等效把所有噪聲源折合到放大器的輸入端，用輸入端的等效噪聲源表示。噪聲源表示。v 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的噪聲源等效為網(wǎng)絡(luò)輸入端的一個(gè)電壓源網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的噪聲源等效為網(wǎng)絡(luò)輸入端的一個(gè)電壓源enen和和一個(gè)電流源一個(gè)電流源inin。eses：是被測(cè)信號(hào)電壓；：是被測(cè)信號(hào)電壓；RsRs：是傳感器輸出內(nèi)阻；：是傳感器輸出內(nèi)阻；et: et: 噪聲電壓源表示電阻的熱噪聲噪聲電壓源表示電阻的熱噪聲enen和和inin：分別表示放大器等效到輸入端的噪聲電壓和噪聲電流：分別表示放大器等效到輸入端的噪聲電壓和噪聲電流6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲6.1

24、.3 前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲222222nietnnStnnseei Reei R22224snnsniRIEfkTRE有效值的平方表示：有效值的平方表示：設(shè)設(shè)etet，enen和和inin互不相關(guān)，輸入電路的總噪聲功率：互不相關(guān)，輸入電路的總噪聲功率：22222nitnnsEEEI R6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲三極管放大電路噪聲系數(shù)222222222241444noninisnnsnnsnipninissnonipNssPEEkTRfEI REI RFPKPEkTRfkTRfPPKi RkTR 2N為放大器總的輸出噪聲功率為信號(hào)源電阻的熱噪聲功率為放大器的

25、功率放大倍數(shù)e F=1+sosnsonRFR0E RI尋找最佳源電阻：令fkTieFNN21min這時(shí)可以達(dá)到的最小噪聲系數(shù)為這時(shí)可以達(dá)到的最小噪聲系數(shù)為6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲33 通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體三極管持特性的進(jìn)一步分析，還可以通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體三極管持特性的進(jìn)一步分析，還可以得到以下三個(gè)對(duì)電路設(shè)計(jì)有意義的結(jié)論：得到以下三個(gè)對(duì)電路設(shè)計(jì)有意義的結(jié)論： (1)半導(dǎo)體三極管的噪聲系數(shù)與工作頻率半導(dǎo)體三極管的噪聲系數(shù)與工作頻率f間的關(guān)系如間的關(guān)系如圖所示。圖所示。三極管噪聲系數(shù)的頻率特性三極管噪聲系數(shù)的頻率特性 f1/f噪聲噪聲熱噪聲和散熱噪聲和散彈噪聲彈噪聲分配噪聲分配噪聲6.

26、1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲34 （2噪聲系數(shù)與源電阻噪聲系數(shù)與源電阻Rs的關(guān)系如圖所示。即的關(guān)系如圖所示。即Rs=Pcopt時(shí)，噪聲系數(shù)最小。時(shí)，噪聲系數(shù)最小。 6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲35 （3 3噪聲系數(shù)與三極管工作點(diǎn)電流的關(guān)系。有最小值噪聲系數(shù)與三極管工作點(diǎn)電流的關(guān)系。有最小值存在，對(duì)應(yīng)最佳工作點(diǎn)或最佳工作電流存在，對(duì)應(yīng)最佳工作點(diǎn)或最佳工作電流ICQ=IcoptICQ=Icopt，其值，其值約為約為lmAlmA。設(shè)計(jì)三極管集電極工作點(diǎn)電流，應(yīng)取在最佳值。設(shè)計(jì)三極管集電極工作點(diǎn)電流，應(yīng)取在最佳值IcoptIcopt附近。附近。 三極管噪聲系

27、數(shù)與其工作點(diǎn)電流的關(guān)系三極管噪聲系數(shù)與其工作點(diǎn)電流的關(guān)系 6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲由最佳源電阻由最佳源電阻RsoRso不一定得到最大的功率增益，不一定得到最大的功率增益，RsoRso是能給出最大信噪比的源電阻阻值，選擇源電阻的是能給出最大信噪比的源電阻阻值，選擇源電阻的目的不是達(dá)到功率匹配，而是噪聲匹配目的不是達(dá)到功率匹配，而是噪聲匹配 只有在放大器的最佳源電阻等于信號(hào)源輸出電阻的情只有在放大器的最佳源電阻等于信號(hào)源輸出電阻的情況下，才能使電路的噪聲系數(shù)最小。況下，才能使電路的噪聲系數(shù)最小。6.1 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲376.2 前置放大器前

28、置放大器 （1 1輸出信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，前置放大器及后續(xù)放大器的輸出信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，前置放大器及后續(xù)放大器的 設(shè)計(jì)主要考慮：增益、帶寬、阻抗匹配和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)主要考慮：增益、帶寬、阻抗匹配和穩(wěn)定性。（2 2輸出信號(hào)弱時(shí)，應(yīng)主要考慮抑制噪聲。輸出信號(hào)弱時(shí)，應(yīng)主要考慮抑制噪聲。探測(cè)器與偏置電路的等效探測(cè)器與偏置電路的等效 381. 1. 前置放大器設(shè)計(jì)的大致步驟前置放大器設(shè)計(jì)的大致步驟 （2從噪聲匹配原則出發(fā)，從噪聲匹配原則出發(fā)，選擇前置放大器第一級(jí)的管型，選擇前置放大器第一級(jí)的管型， （3 3在管型選定后，第一，二級(jí)應(yīng)采用噪聲盡可能低的器件，在管型選定后，第一，二級(jí)應(yīng)采用噪聲盡可能低的器件，按照最佳源電阻

29、的原則來(lái)確定管子的工作點(diǎn)，并進(jìn)行工作頻率，按照最佳源電阻的原則來(lái)確定管子的工作點(diǎn)，并進(jìn)行工作頻率，帶寬等參量的計(jì)算及選擇。帶寬等參量的計(jì)算及選擇。 （1 1測(cè)試或計(jì)算光電探測(cè)器及偏置電路的源電阻測(cè)試或計(jì)算光電探測(cè)器及偏置電路的源電阻RsRs；選用第一級(jí)放大器件的準(zhǔn)則選用第一級(jí)放大器件的準(zhǔn)則 6.2 前置放大器前置放大器 39 （1根據(jù)所采用的光電探測(cè)器的噪聲譜和選定放大器的典型根據(jù)所采用的光電探測(cè)器的噪聲譜和選定放大器的典型噪聲譜，確定工作噪聲譜，確定工作(調(diào)制調(diào)制)頻率。頻率。2. 2. 放大器設(shè)計(jì)中頻率及帶寬的確定放大器設(shè)計(jì)中頻率及帶寬的確定 典型探測(cè)器的噪聲譜典型探測(cè)器的噪聲譜 （2 2

30、光電檢測(cè)系統(tǒng)中按照白噪聲的特點(diǎn)，工作頻率選定后，應(yīng)光電檢測(cè)系統(tǒng)中按照白噪聲的特點(diǎn)，工作頻率選定后，應(yīng)盡可能減小電路的頻帶寬度。盡可能減小電路的頻帶寬度。6.2 前置放大器前置放大器 40 （3當(dāng)信號(hào)頻率在一定范圍內(nèi)變化，不能選用固定頻率的窄帶濾當(dāng)信號(hào)頻率在一定范圍內(nèi)變化，不能選用固定頻率的窄帶濾波方式工作時(shí)，除確定必要的窄帶外，可采用設(shè)計(jì)選通積分器的方法波方式工作時(shí)，除確定必要的窄帶外，可采用設(shè)計(jì)選通積分器的方法來(lái)抑制噪聲。來(lái)抑制噪聲。 （4在某些系統(tǒng)如脈沖系統(tǒng)中，為保持信號(hào)的波形，必須采用在某些系統(tǒng)如脈沖系統(tǒng)中，為保持信號(hào)的波形，必須采用頻帶寬度較寬的處理電路，適當(dāng)犧牲高頻。下圖說(shuō)明了所需保

31、持波頻帶寬度較寬的處理電路，適當(dāng)犧牲高頻。下圖說(shuō)明了所需保持波形和電路形和電路3dB帶寬帶寬f之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。積分具有平均的作用積分具有平均的作用帶寬對(duì)矩形脈沖波形和復(fù)制的影響帶寬對(duì)矩形脈沖波形和復(fù)制的影響 6.2 前置放大器前置放大器 信號(hào)從基極輸入，從發(fā)射極輸出的放大器。信號(hào)從基極輸入，從發(fā)射極輸出的放大器。RB+ECC1C2RERLuiuo射極跟隨器射極跟隨器u 輸入阻抗高，輸出阻抗低。輸入阻抗高，輸出阻抗低。u 從信號(hào)源索取的電流小而且從信號(hào)源索取的電流小而且u 帶負(fù)載能力強(qiáng)。帶負(fù)載能力強(qiáng)。u 常用于多級(jí)放大電路的輸入常用于多級(jí)放大電路的輸入u 級(jí)和輸出級(jí)；也可用它連接級(jí)和輸出

32、級(jí)；也可用它連接u 兩電路，減少電路間直接相兩電路，減少電路間直接相 u 連所帶來(lái)的影響，起緩沖作連所帶來(lái)的影響，起緩沖作用。用。 特點(diǎn)特點(diǎn)6.2 前置放大器前置放大器 前置放大器的實(shí)例前置放大器的實(shí)例-放大電路的直流通路和交流通路放大電路的直流通路和交流通路 通常放大電路中直流電源和交流信號(hào)的作用共存，并且由于電路中通常放大電路中直流電源和交流信號(hào)的作用共存，并且由于電路中電抗元件的存在，交流電流和直流電流流過(guò)的通路是不一樣的，使電路電抗元件的存在，交流電流和直流電流流過(guò)的通路是不一樣的，使電路的分析復(fù)雜化。為簡(jiǎn)化分析，在分析時(shí)將它們分開(kāi)作用，引入直流通路的分析復(fù)雜化。為簡(jiǎn)化分析，在分析時(shí)將

33、它們分開(kāi)作用，引入直流通路和交流通路的概念。和交流通路的概念。1、直流通路、直流通路直流電源作用的通路，解決靜態(tài)工作點(diǎn)問(wèn)題。直流電源作用的通路，解決靜態(tài)工作點(diǎn)問(wèn)題。2、交流通路、交流通路交流信號(hào)源作用的通路，反映交流信號(hào)的傳輸問(wèn)題。交流信號(hào)源作用的通路，反映交流信號(hào)的傳輸問(wèn)題。交流信號(hào)源置零，保留內(nèi)阻；交流信號(hào)源置零，保留內(nèi)阻； 電容開(kāi)路；電容開(kāi)路；電感短路線圈電阻近似為電感短路線圈電阻近似為0 0）。）。大電容耦合電容、旁路電容相當(dāng)于短路；大電容耦合電容、旁路電容相當(dāng)于短路；直流電源相當(dāng)于短路；直流電源相當(dāng)于短路；電感相當(dāng)于開(kāi)路。電感相當(dāng)于開(kāi)路。適用的頻率范圍：放大電路的中頻區(qū)適用的頻率范圍

34、：放大電路的中頻區(qū)Rb1Rb2RCRL+ECui+-TCBEn直接耦合放大電路的直流通路和交流通路直接耦合放大電路的直流通路和交流通路Rb2RCRL+ECTRb1RCRLTRb2+-uiRb1直流直流通路通路交流交流通路通路Rb1Rb2RCRL+ECui+-TCBERb1 RbRCRL+ECui+-TC1C2CBEn阻容耦合放大電路的直流通路和交流通路阻容耦合放大電路的直流通路和交流通路 RbRC+ECTRb1 RbRCRL+ECui+-TC1C2CBERCRLTRb+-ui直流直流通路通路交流交流通路通路RB+ECC1C2RERLuiuoRB+ECRE直流通道直流通道（1直流電路直流電路射極

35、跟隨器射極跟隨器RB+ECRE直流通道直流通道（1直流電路直流電路射極跟隨器射極跟隨器EBBECBR)1 (RUEICBEII )1 (IEECCERIEU折算折算EC= IBRB+UBE+IERE = IBRB+UBE+(1+)IBRE對(duì)低頻小功率管其值為：對(duì)低頻小功率管其值為：rbe=300+(1+)(26mV）/（IEmV）RB+ECC1C2RERLuiuouiRBREIbIcRLuoecIeLELR/RR ui RBIbRLuoIbIehieui RBREIbRLuoIbhieIo（2交流電路交流電路射極跟隨器射極跟隨器berber求求Au=Uo/UiLbeLiouRrRUUA)1 (

36、)1 (LR Uo=Io =Ie =（1+IbLRLRUi=Ibrbe+Uo=Ibrbe+(1+)IbLR （1+） rbeLRLR1)1 ()1 (LbeLuRrRA（2交流電路交流電路射極跟隨器射極跟隨器RiIiui RBIbRLuoIbIehieIober（2交流電路交流電路射極跟隨器射極跟隨器求求Ai=Io/IiiBBiRRRA)1 (由于射極輸出器的輸入電阻由于射極輸出器的輸入電阻Ri較大，較大，RB的分流作用一的分流作用一般不能忽略，當(dāng)考慮了般不能忽略，當(dāng)考慮了RB的分流作用后的分流作用后RiIiui RBIbRLuoIbIehieIober（2交流電路交流電路射極跟隨器射極跟隨器

37、LLbebiiRRrIUR)1(求求RiUi=Ibrbe+Uo=Ibrbe+(1+)IbLRRiIiui RBIbRLuoIbIehieIober求求Ro1)1 ()(BbebBbebbboRrIRrIIIUIUREooR/RR 而RERobeoorRR（2交流電路交流電路射極跟隨器射極跟隨器RoIbIeIIcui RBRERLIbhieURoberLbeiRrR)1 (1)1 ()1 (LbeLuRrRAiBBiRRR)1 (AbeoorRR共集電極電路特點(diǎn)：共集電極電路特點(diǎn)：（2交流電路交流電路射極跟隨器射極跟隨器 1、 Au小于小于1而接近于而接近于1，且，且Uo與與Ui同相，即輸出電壓

38、與輸入同相，即輸出電壓與輸入電壓差不多，故又稱為射極跟電壓差不多，故又稱為射極跟隨器。隨器。2、射極跟隨器有電流放大能力。、射極跟隨器有電流放大能力。3、 輸入電阻高、輸出電阻低。輸入電阻高、輸出電阻低。運(yùn)用運(yùn)用射極跟隨器通常用作隔離級(jí)，以及多級(jí)放大器的輸入級(jí)和輸出射極跟隨器通常用作隔離級(jí)，以及多級(jí)放大器的輸入級(jí)和輸出級(jí)。級(jí)。 RB+UCCC1C2RERLuiuo例：已知射極輸出器的參數(shù)如下：例：已知射極輸出器的參數(shù)如下：RB=570k，RE=5.6k，RL=5.6k，=100，UCC=12V求求Au、 ri和和ro 。RL=1k和和時(shí)，求時(shí)，求Au 。EBBECCBRRUUI)1 (mA01

39、. 1)1 (BEIIrbeiubiRERLRBoucibiii微變等效電路微變等效電路190k)1 (/LbeBiRrRr281/SbeEoRrRr解：（解：（1）2.9K01. 12610130026)1 (300mAImVrEbe99. 0)1 ()1 (LbeLuRrRA RL=1k時(shí)時(shí)（2） RL=1k和和時(shí)，求時(shí)，求Au。 RL=時(shí)時(shí)LbeLuRrRA)1 (1）（967. 0) 1/6 . 5(1018 . 2) 1/6 . 5(101uA995. 06 . 51018 . 26 . 5101uA結(jié)論：射極輸出器結(jié)論：射極輸出器帶負(fù)載能力強(qiáng)。帶負(fù)載能力強(qiáng)。比較比較:空載時(shí)空載時(shí),

40、Au=0.995 RL=5.6K 時(shí)時(shí),Au=0.990566.3 常用電路介紹常用電路介紹 6.3.1 選頻放大器選頻放大器 6.3.2 相敏檢波器相敏檢波器(相敏整流器、相敏解調(diào)器相敏整流器、相敏解調(diào)器) 6.3.3 相位檢測(cè)器鑒相器）相位檢測(cè)器鑒相器） 6.3.4 鑒頻器鑒頻器 6.3.5 脈沖寬度鑒別器脈沖寬度鑒別器 6.3.6 積分微分運(yùn)算器積分微分運(yùn)算器 6.3.7 鎖相環(huán)及鎖相放大器鎖相環(huán)及鎖相放大器 本節(jié)包括以下幾部分內(nèi)容：57圖示的相位檢測(cè)器的相位范圍為圖示的相位檢測(cè)器的相位范圍為 ，且輸出電壓與相，且輸出電壓與相位差成線性關(guān)系。位差成線性關(guān)系。6.3.3 相位檢測(cè)器鑒相器）

41、相位檢測(cè)器鑒相器） 相位檢測(cè)器框圖相位檢測(cè)器框圖 18058相位檢測(cè)器各環(huán)節(jié)的波形相位檢測(cè)器各環(huán)節(jié)的波形 uAuBuAuB同相同相 uA uA領(lǐng)先領(lǐng)先uB90uB90 uA uA落后落后uB90uB90 輸出電壓的平均值輸出電壓的平均值u0u0為：為：ozABuu180/)(0 ， 為待測(cè)信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的相位為待測(cè)信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的相位uzuz兩信號(hào)相位相差兩信號(hào)相位相差180o180o時(shí)的電壓輸出值時(shí)的電壓輸出值 BA(2) 光通量的相位測(cè)量光通量的相位測(cè)量相位檢測(cè)器電路相位檢測(cè)器電路 606.3.4 鑒頻器鑒頻器 鑒頻器的種類很多，這里介紹時(shí)間平均值鑒頻器。鑒頻器的種類很多，這里介紹時(shí)間平均

42、值鑒頻器。其工作波形如圖所示其工作波形如圖所示, ,圖中給出了兩個(gè)不同頻率調(diào)頻波圖中給出了兩個(gè)不同頻率調(diào)頻波的有關(guān)波形，以便比較。的有關(guān)波形，以便比較。 鑒頻器原理框圖鑒頻器原理框圖 61尖脈沖數(shù)目與頻率有關(guān)，頻率越高，尖脈沖越多，輸出越高尖脈沖數(shù)目與頻率有關(guān)，頻率越高，尖脈沖越多，輸出越高 鑒頻器各環(huán)節(jié)波形鑒頻器各環(huán)節(jié)波形 6.3.4 鑒頻器鑒頻器 62過(guò)零檢測(cè)過(guò)零檢測(cè)鑒頻器電路原理鑒頻器電路原理 微分器微分器線性檢波器、低通濾波器線性檢波器、低通濾波器6.3.4 鑒頻器鑒頻器 636.3.5 6.3.5 脈沖寬度鑒別器脈沖寬度鑒別器 在光電檢測(cè)技術(shù)中，有時(shí)需要在不同寬度的脈沖中，在光電檢測(cè)

43、技術(shù)中，有時(shí)需要在不同寬度的脈沖中，選出脈寬在某個(gè)特定值選出脈寬在某個(gè)特定值T T附近的控制脈沖，即附近的控制脈沖，即T TTPTPTPTP。TPTP為特定的持續(xù)期，為特定的持續(xù)期，TPTP為允許偏差。實(shí)現(xiàn)該功能的方案為允許偏差。實(shí)現(xiàn)該功能的方案之一如圖所示。相應(yīng)的工作波形如下頁(yè)圖所示。之一如圖所示。相應(yīng)的工作波形如下頁(yè)圖所示。脈寬鑒別器脈寬鑒別器 64或非或非（全零則（全零則1 1）輸入信號(hào)輸入信號(hào)電平檢測(cè)電平檢測(cè)1 1積分積分電平檢測(cè)電平檢測(cè)2 2或非或非單穩(wěn)單穩(wěn)2 2單穩(wěn)單穩(wěn)1 16.3.5 6.3.5 脈沖寬度鑒別器脈沖寬度鑒別器 脈寬鑒別器各環(huán)節(jié)的波形脈寬鑒別器各環(huán)節(jié)的波形 2TP6

44、5脈寬鑒別器電路圖脈寬鑒別器電路圖 6.3.5 6.3.5 脈沖寬度鑒別器脈沖寬度鑒別器 電平檢測(cè)器電平檢測(cè)器電平檢測(cè)器電平檢測(cè)器積分檢測(cè)器積分檢測(cè)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器666.3.7 6.3.7 鎖相環(huán)及鎖相放大器鎖相環(huán)及鎖相放大器 使一個(gè)簡(jiǎn)諧波自激振蕩的相位受基準(zhǔn)振蕩的控使一個(gè)簡(jiǎn)諧波自激振蕩的相位受基準(zhǔn)振蕩的控制，保持特定的關(guān)系，叫作制，保持特定的關(guān)系，叫作“相位鎖定相位鎖定”，簡(jiǎn)，簡(jiǎn)稱稱“鎖相鎖相”鎖相環(huán)方框圖鎖相環(huán)方框圖 67輸入與輸出信號(hào)頻率不同會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不斷變化的相位差輸入與輸出信號(hào)頻率不同會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不斷變化的相位差 ！ 鑒相器：將壓控振蕩器輸出的信號(hào)和輸入信號(hào)之間的鑒相器：將壓控振蕩器輸出的信號(hào)和輸入信號(hào)之間的相位差轉(zhuǎn)換為誤差電壓。相位差轉(zhuǎn)換為誤差電壓。)()(tKtundd式中式中,Kd,Kd鑒相器靈敏度，鑒相器靈敏度，n(t) n(t) 相位差。相位差。低通濾波器：常叫環(huán)路濾波器低通濾波器：常叫環(huán)路濾波器, ,濾除高頻成分。濾除高頻成分。壓控振蕩器：電壓壓控振蕩器：電壓頻率變換的作用。頻率變換的作用。6.3.7 6.3.7 鎖相環(huán)及鎖相放大器鎖相環(huán)及鎖相放大器 686.3.7 鎖相環(huán)及鎖相放大器鎖相環(huán)及鎖相放大器 鎖相環(huán)方框圖鎖相環(huán)方框圖 主要特點(diǎn)：通過(guò)反饋控制使鑒相器主要特點(diǎn)：通過(guò)