光電信號檢測電路

關(guān)于光電信號檢測電路第一頁，共二十五頁，2022年，8月28日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)下的檢測器件與前置放大器耦合是必須考慮的重要問題。對前置放大器的要求：1、性能上：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。2、結(jié)構(gòu)上：緊湊、靠近檢測器件，良好的接地與屏蔽。第二頁，共二十五頁，2022年，8月28日4.5.1放大器的噪聲1、放大器的噪聲模型將放大器內(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En串聯(lián)在輸入端和阻抗為無限大噪聲電流源In與輸入端并聯(lián)。放大器內(nèi)部成為一個無噪聲放大器。En和In通過測量得到。這種等效模型稱為放大器的En-In噪聲模型。第三頁，共二十五頁，2022年，8月28日2、等效輸入噪聲信號源與放大器組成的系統(tǒng)的噪聲源為三個：En、In和Et。用“等效輸入噪聲Eni”表示Us為信號源電壓Rs為信號源內(nèi)阻Et為信號源內(nèi)阻上的熱噪聲電壓Zi為放大器輸入阻抗Au為放大器電壓增益Uso、Eno分別為放大器總輸出信號和輸出噪聲無噪聲放大器第四頁，共二十五頁，2022年，8月28日輸出電壓和輸出噪聲:At稱系統(tǒng)的增益帶入電壓表達式得第五頁，共二十五頁，2022年，8月28日等效輸入噪聲電壓為:En,In可直接測量得到則可得等效噪聲源表達式：第六頁，共二十五頁，2022年，8月28日Et是源電阻的熱噪聲C為相關(guān)系數(shù)如果考慮En和In相關(guān)性，引入相關(guān)項，等效輸入噪聲為：第七頁，共二十五頁，2022年，8月28日3、En和In的測量所以當Rs足夠大時，Eni2中主要是In2Rs2起作用?？傻玫紼n和In的測量方法：①放大器輸入端短路，即Rs=0，測得放大器輸出端的噪聲電壓均方根值為Au·En，用Au除之，得En。Au為放大器電壓增益。②取一個很大的電阻作為源電阻Rs，測得放大器輸出端的噪聲電壓均方根值為Au·InRs，用Au·Rs除之，得In。第八頁，共二十五頁，2022年，8月28日4、噪聲系數(shù)—描述放大器的噪聲性能噪聲系數(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?？杀硎緸椋篈p為放大器的功率增益；Pni為放大器的輸入噪聲功率，即源電阻產(chǎn)生的噪聲功率；Ap·Pni表示了源電阻在放大器輸出端產(chǎn)生的噪聲功率；Pno為放大器輸出端總的噪聲功率。第九頁，共二十五頁，2022年，8月28日噪聲系數(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。或者說使放大器的輸出信噪比接近于輸入信噪比。對式分子分母同除以Ap，并應(yīng)用式和引入Ap（輸出信號功率Pso與輸入信號Psi之比）表示式，噪聲系數(shù)可表示為：第十頁，共二十五頁，2022年，8月28日可得：式中Δf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：注：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，使得噪聲系數(shù)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。第十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日5、噪聲匹配式表明噪聲系數(shù)與源電阻Rs有關(guān)。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?？傻茫荷鲜奖环Q為噪聲匹配條件，此時得噪聲系數(shù)最小值為：第十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日4.5.2前置放大器的低噪聲設(shè)計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，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。第十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日1.噪聲匹配的方法要使前置放大器獲得最佳噪聲性能，必須滿足噪聲匹配條件，即要求信號源阻抗等于最佳源阻抗。此時放大器的噪聲系數(shù)最小。實現(xiàn)噪聲匹配從幾個方面考慮：①有源器件的選取

信號源電阻較?。犭娕?、光電池）一般選用晶體管構(gòu)成低噪聲前置放大器。因晶體管電流噪聲In較大，具有較小的最佳源電阻（100Ω~1MΩ）。

源電阻較大時（熱敏電阻），多采用場效應(yīng)管，因它有較小的電流噪聲In和較大的最佳源電阻（1kΩ~10MΩ）。運算放大器有和晶體管大致相同的最佳源電阻值，而MOS場效應(yīng)管的最佳源電阻可達1MΩ~10GΩ。第十四頁，共二十五頁，2022年，8月28日

有源器件的最佳源電阻Rs是頻率的函數(shù)。隨頻率的升高，場效應(yīng)管R0迅速減小，因此結(jié)型場效應(yīng)管在高頻（幾十兆Hz）時也僅適于源電阻較小情況。PNP晶體管適于Rs??；NPN晶體管適于Rs大的情況。第十五頁，共二十五頁，2022年，8月28日②采用輸入變壓器實現(xiàn)噪聲匹配這種方法用于解決信號源電阻Rs小于最佳源電阻R0時的噪聲匹配問題，如采用熱電偶檢測器件時就是這樣。根據(jù)變壓器的變化關(guān)系，對于理想變壓器，次級上的信噪比沒有變化。而等效源電阻增為n2Rs，適當選擇n，可實現(xiàn)噪聲匹配,n2Rs

=R0。第十六頁，共二十五頁，2022年，8月28日③利用并聯(lián)放大器的方法實現(xiàn)噪聲匹配用N個全同的放大器并聯(lián)連接。當各放大器的輸入阻抗?jié)M足：則有：R0為單個放大器的最佳源電阻這種方法主要適用于放大器的最佳源電阻較大時。第十七頁，共二十五頁，2022年，8月28日④無源器件的選取無源器件包括電阻、電容、耦合變壓器等。低噪聲電路中，一般都選用金屬膜電阻器和繞線電阻器，因碳質(zhì)與碳膜電阻的噪聲指數(shù)較大（一般為十幾到幾十微伏/伏以上）；而金屬膜電阻器可做到小于0.2~1uV/V左右。電容器的選擇：主要用損耗角小的云母電容和瓷介電容來降低噪聲。在大容量電容中，則選用漏電流很小的鉭電解電容。耦合變壓器的構(gòu)成主要考慮在外加磁場作用下，由于磁化不連續(xù)性而表現(xiàn)出的磁起伏噪聲和外界干擾引入的噪聲，因此要有好的磁屏蔽和靜電屏蔽。第十八頁，共二十五頁，2022年，8月28日2.低噪聲放大器的屏蔽與接地由于地回路電流的存在，在兩接地點間存在電位差，形成干擾源，稱為差模源。解決方法是改多點接地為單點接地。此種技術(shù)稱為浮地技術(shù)。浮地端再用1~10kΩ的電阻或一個小電容接地，加強對空間電磁場的屏蔽效果。探測器前放~探測器前放接地干擾的形成與抑制第十九頁，共二十五頁，2022年，8月28日為了更好地消除地干擾和空間電磁場干擾，還經(jīng)常采用雙屏蔽技術(shù)，其中，內(nèi)屏蔽采用浮空方式以消除地干擾，外層屏蔽采用多點接地以消除電磁場干擾。探測器R1R2內(nèi)層屏蔽外層屏蔽外屏蔽殼內(nèi)屏蔽殼抑制地環(huán)流的雙屏蔽結(jié)構(gòu)第二十頁，共二十五頁，2022年，8月28日3.低噪聲電路對電源電路的要求對電源電路要求具有高的穩(wěn)定度和良好的共模干擾電壓抑制能力?？朔儔浩鞴材８蓴_電壓的辦法是在初次級間采用良好的靜電屏蔽和單端接地，以避免共模干擾電壓形成循環(huán)通路。一般穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度為10-2~10-4，而低噪聲系統(tǒng)要求電源穩(wěn)定度為10-5~10-6。因此應(yīng)采取相應(yīng)措施提高穩(wěn)定電源的穩(wěn)定度。第二十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日4.5.3檢測器件和放大電路的連接以光電二極管為例，介紹三種與IC放大器的典型連接方法：①電流放大型光電二極管處于短路工作狀態(tài)，輸出近似理想的短路電流，運算放大器處于電流放大狀態(tài)，要求輸入阻抗非常Zi小輸出電壓：優(yōu)點：輸入阻抗低，響應(yīng)速度高，噪聲低，信噪比高。適用微弱信號檢測。式中：A為放大器開環(huán)放大倍數(shù)，Rf為反饋電阻第二十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日②電壓放大型光電二極管與負載電阻并聯(lián)接于IC放大器正端，RL取1MΩ，光電二極管處于開路工作狀態(tài)，輸出近似理想的開路電壓。優(yōu)點：運放漏電流遠小于光電流，具有高輸入阻抗。應(yīng)用于光電開關(guān)，溫度和頻率特性不理想。式中：為該電路的電壓放大倍數(shù)第二十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日③阻抗變換型光電二極管具有恒流源特性，內(nèi)阻大，不宜與負載直接連接。采用阻抗變換器（如場效應(yīng)管為前級的IC運放）