光電檢測電路的帶寬和頻率特性

1、光電檢測電路的帶寬和頻率特性第1頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一光電檢測器件：光電變換 核心偏置電路：連接光電檢測器件和前置放大及耦合電路的中間環(huán)節(jié)，為光電器件提供正常的電路工作條件，同時完成與前置放大及耦合電路的電路匹配。前置放大及耦合電路：輸入信號的精確檢測光電檢測電路第2頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一基本任務光電檢測電路偏置電路設計（靜態(tài)設計）頻率響應設計（動態(tài)設計）噪聲特性設計 10.1.1 檢測電路的基本結構和技術要求第3頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一1. 帶寬的含義K ( f )ffLCfHC70.7%10

2、0%Df = fHC fLC fHC10.1.2 檢測電路的帶寬第4頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一帶寬ff 太小，頻率失真 （波形失真）f 太大，噪聲大 （例：熱噪聲）電路帶寬f 根據(jù)信號的頻譜特性來確定 2. 帶寬對信號質量的影響帶寬選擇的原則： 保持信號頻譜中絕大部分能量通過而削掉部分頻譜能量較低的高頻分量。盡量做到在不失真的情況下提高信噪比。 第5頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一3.如何確定檢測電路帶寬？1）正弦波檢測電路的帶寬載波頻率為f0調制頻率為F電路帶寬Df 2F 正弦調幅：正弦調頻：第6頁，共27頁，2022年，5月20日，4點

3、28分，星期一Ttd2）脈沖波信號的帶寬分析 td脈沖寬度第7頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一脈沖波頻譜分析脈沖重復頻率f0 = 200kHz，脈寬td=0.5s 第8頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一2）脈沖波信號的帶寬分析 主要能量在第一過零點內，周期性矩形脈沖信號的帶寬為： 傳送的矩形脈沖的脈沖寬度越窄，要求電路的帶寬也越大。 主要頻譜能量范圍Ttd第9頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一電路帶寬增大，信號峰值功率增加常數(shù)電路帶寬增大，噪聲功率增加最佳帶寬最佳帶寬要求信噪比高：要求脈沖形狀好：3.如何確定檢測電路帶寬？第1

4、0頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一3.如何確定檢測電路帶寬？正弦調制信號: 脈沖波信號： td為脈沖寬度 振幅調制：頻率調制：要求信噪比高：要求脈沖形狀好：第11頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一1光電檢測電路的高頻特性 耦合電容對高頻信號可視為短路輸入光照度：由圖可得：10.1.3 光電檢測電路的頻率特性分析與設計第12頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一1光電檢測電路的高頻特性 10.1.3 光電檢測電路的頻率特性分析與設計耦合電容對高頻信號可視為短路第13頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一1光電檢測電

5、路的高頻特性 10.1.3 光電檢測電路的頻率特性分析與設計稱為檢測電路的時間常數(shù) 可見檢測電路的頻率特性，不僅與光電二極管的參數(shù)Cj和g 有關，還取決于放大電路的偏置電阻和負載檢測電路的上限截止頻率：第14頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一a 給定輸入光照度，在負載上取最大功率輸出 滿足的條件是： RL=Rb, gGb第15頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一b 負載上取最大電壓輸出：RLRb, g g2) 輸出最大電壓 RL Rb Gb g3) 輸出最大電流 Rb RL g 很小RL 和 Rb 的選取 考慮增益和帶寬光電檢測電路的頻率特性第18頁，

6、共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一2光電檢測電路頻率特性的設計 目的：使檢測電路具有足夠寬的頻率響應，以便能對復雜的瞬變光信號或周期性光信號進行無頻率失真的變換和傳輸。方法：快速變化的光信號可以看作是若干不同諧波分量的疊加。信號的頻率失真會使某些諧波分量的幅度和位相發(fā)生變化導致合成波形的畸變。為避免頻率失真，保證信號的全部頻譜分量不產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以足夠的寬裕度覆蓋住光信號的頻譜分布。 第19頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一2光電檢測電路頻率特性的設計 檢測電路頻率特性的設計大體包括下列的三個基本內容： 1）對輸

7、入光信號進行傅里葉頻譜分析，確定信號的頻譜分布2）確定多級光電檢測電路的允許通頻帶寬和上限截止頻率。3）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)。第20頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一例：用2DU1型光電二極管和兩極相同的放大器組成光電檢測電路。被測光信號的波形如圖a所示，脈沖重復頻率f=200kHz，脈寬t0=0.5s，脈沖幅度1V，設光電二極管的結電容Cj=3pF，輸入電路的分布電容C0=5pF，為保持較好的脈沖形狀輸出，設計該電路的阻容參數(shù)。第21頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一例：用2DU1型光電二極管和兩極相同的放大器組成

8、光電檢測電路。被測光信號的波形如圖a所示，脈沖重復頻率f=200kHz，脈寬t0=0.5s，脈沖幅度1V，設光電二極管的結電容Cj=3pF，輸入電路的分布電容C0=5pF，設計該電路的阻容參數(shù)。分析光信號頻譜，確定檢測電路的總頻帶寬度解： 周期為T1/f的方波脈沖時序信號，其頻譜是離散的，譜線的頻率間隔為f1/T200kHz頻譜包絡線零值點的分布間隔為F1/t02MHz第22頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一電路帶寬（準確保持脈沖形狀）選取頻譜包絡線的第二峰值作為信號的高頻截止頻率， fHC3MHz 頻譜的零頻分量為信號的直流成份，不影響變化的波形。但為交流放大利用阻容耦合電路隔直。取低頻截止頻率為200Hz，帶寬近似為F3MHz。 確定級聯(lián)各級電路的頻帶寬第23頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一計算輸入電路參數(shù)取Rb(1020)RL，即Rb10RL20k 級間耦合電容C值是由低頻截止頻率決定：計算為C0.07F，取為C1F，對于第一級耦合電容可適當增大10倍，取電容值為10F。由輸入電路的 確定輸入電路形式電流放大電流放大時第24頁，共27頁，2022年，5月20日，4點28分，星期一選擇放大電路 選用二級通用的寬帶運算放大器，放大器輸入阻抗小于2k，放大器