第4章-光電信號檢測電路分析等

光電檢測技術(shù)與應(yīng)用第四章第4章光電信號檢測電路主要內(nèi)容：4.1光電檢測電路的設(shè)計要求4.2光電信號輸入電路的靜態(tài)計算4.3光電信號檢測電路的動態(tài)計算4.4光電信號檢測電路的噪聲4.5前置放大器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。4.1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：靈敏的、較強的光電轉(zhuǎn)換能力：光電靈敏度?？焖俚膭討B(tài)響應(yīng)能力：頻率響應(yīng)及選擇特性。最佳的信號檢測能力：信噪比(SNR)、等效噪聲功率(NEP)。長期工作的穩(wěn)定性和可靠性：4.2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，所采用的方法包括非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：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。161284051015M1200800400040801205432102004006008001000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。負載線與對應(yīng)輸入光通量為Φ0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，當(dāng)Φ0改變ΔΦ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。1、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。負載線方程：UUbRLI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。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。圖解法的應(yīng)用：1、負載電阻的影響分析：圖解法的應(yīng)用：2、偏置電壓的影響分析：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。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。由ΔΦ和ΔI選擇RL和Ub超過轉(zhuǎn)換點M，以便有最大不失真電壓輸出。同時保證Ub不大于器件最大工作電壓Umax2、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。折線化的畫法一折線化的畫法二折線化的畫法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。P為輸入光功率Ip為對應(yīng)的光電流折線化的分析原則：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：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Φ的光電流。有：那么理想的光電二極管等效電路可表示為：折線化伏安特性的分析：在輸入光通量變化范圍Φmin~Φmax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：

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：由此可得：或2、計算負載電阻和偏置電壓：為保證最大線性輸出條件，負載線和與對應(yīng)的伏安曲線交點不能低于轉(zhuǎn)折點M。設(shè)負載線通過M點，可得關(guān)系：當(dāng)Ub已知時，可得負載電導(dǎo)GL或電阻RL：當(dāng)RL已知時，可得偏置電源電壓Ub為：3、計算輸出電壓幅度：在輸入光通量由Φmin變化到Φmax時，輸出電壓幅度為：由圖中M和N點電流值計算：聯(lián)合求解：求得ΔU：3、計算輸出電流幅度：輸出電流幅度：由下式可得：通常，上式可簡化為：4、計算輸出電功率：由功率關(guān)系：可得：4.2.2

光伏型器件光電信號輸入電路00.10.20.30.40.5-0.2-0.4-0.6-0.8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。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：或1、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)計算電路方程：圖解法分析：負載線與給定光通量Φ0對應(yīng)的伏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。光伏型器件負載電阻和光通量的影響分析：如圖中光通量從Φ1增加到Φ2時，在短路狀態(tài)RL=0時，輸出電流增量ΔI=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?，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。PUIRLU、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：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：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。2、負載電阻較大時，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：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。3、在II區(qū)間，可得到線性電壓輸出，在串聯(lián)的負載電阻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。RM值的確定：對展開已知Is<<I，要使輸出電流I和輸入光功率Φ成線性關(guān)系I=SΦ，則要求：已知最大允許光電流IM，相應(yīng)的光通為ΦM時，可得到輸出最大線性電壓的負載RL應(yīng)滿足：對應(yīng)于Φmax±ΔΦ的輸入光功率變化時，負載上電壓信號變化為：在線性關(guān)系要求不高情況下，可由經(jīng)驗數(shù)據(jù)，利用圖解法簡單地得到臨界負載電阻RM的值和電阻上電壓UM:Uoc對應(yīng)最大的輸出電壓。4.2.3

可變電阻型器件光電信號輸入電路UL光敏電阻電路圖解法伏安曲線光敏電阻的一般電路如右圖。其阻值隨輸入光通量改變的伏安特性如右下圖。光敏電阻的阻值表示為：利用圖解法分析光敏電阻輸入電路如圖示。在建立負載線之后即可確定對應(yīng)于輸入光通量Φ1~Φ3變化的輸出信號。利用解析法分析光敏電阻輸入電路按照線性電路規(guī)律，依圖有：UL當(dāng)光通量變化時，光敏電阻變化ΔR，引起負載上輸出電流ΔI和輸出電壓ΔU的變化：又所以即有：和光敏電阻的兩種工作狀態(tài)1）恒流偏置2）恒壓偏置當(dāng)RL>>R時，UL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。電壓信噪比高，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。選取RL<<R時，加在光敏電阻上的電壓近似為電源電壓Ub，與R無關(guān)。輸出信號電壓為：適用于檢測器本身噪聲較大時。光敏電阻在恒壓偏置電路的情況下輸出的電流IP與處于放大狀態(tài)的三極管發(fā)射極電流Ie近似相等。因此，恒壓偏置電路的輸出電壓為

檢測電路在更換光敏電阻時對電路初始狀態(tài)影響不大。光敏電阻的應(yīng)用電路火焰檢測報警器R12kΩ中心站放大器VDW6VR2200kΩR3PbSC168nFC268uFR43.9MΩR5820kΩR71kΩR832kΩR63.9kΩR9150kΩC44.7nF+C3100uFV1V2V3PbS光敏電阻：Rd=1MΩ,Rl=0.2MΩ，峰值波長2.2um。恒壓偏置電路高輸入阻抗放大電路Vo4.3光電信號檢測電路的動態(tài)計算光電檢測電路接收交變光信號時，與緩變光信號相比，交變信號有更豐富的頻率分量，信號微弱時還需要多級放大等。與檢測電路的設(shè)計不同，在分析和設(shè)計交變光信號檢測電路時，需要解決下面的動態(tài)計算問題：1、確定檢測電路的動態(tài)工作狀態(tài)，使交變光信號作用下負載上能獲得最小非線性失真的電信號輸出。2、使檢測電路具有足夠的頻率響應(yīng)，以能對復(fù)雜的瞬變光信號或周期光信號進行無頻率失真的變換和傳輸。4.3.1光電信號輸入電路的動態(tài)計算為提供光電檢測器件正常的工作條件，首先要在交變光信號輸入電路中建立直流工作點。另一方面要考慮后續(xù)電路的等效輸入阻抗與輸入電路直流負載電阻的并聯(lián)。下面分別以光電二極管和光電池為例介紹其交流檢測電路的動態(tài)計算方法。1）光電二極管交流檢測電路檢測電路交變光信號輸入光照度：交流信號視電容短路，負載為Rb和RL并聯(lián)，畫交流負載線，通過M點，以便充分利用線性空間。交流負載線與E0的伏安特性交點為Q點，通過Q點圖解可以得到Rb和Ub。

在三角形MHQ中，交流負載線MN的斜率GL+Gb。交流負載電流峰值為Im，有：

下面計算負載RL上（或后續(xù)電路輸入阻抗）的輸出電壓和輸出功率值。由交流負載線MN有電流關(guān)系：可得：負載電阻RL上輸出功率PL為：上式中對RL求偏微分，計算最大功率輸出下的負載電阻RL0(推導(dǎo)過程略)，可得：稱為阻抗匹配條件。此時負載上輸出電壓峰值Um0、最大輸出功率有效值PLm和輸出電流峰值IL0為：下面求解最大功率輸出條件的直流偏置電阻Rb0和電源電壓Ub，由解析法計算，Q點的電流值由伏安特性，可知：由負載線得：由兩式得：另外，在電壓軸上Q點處的電壓UQ為：由UQ的兩個式子可計算出Gb0或Rb0為：或2）光電池交流檢測電路直流負載線是通過原點且斜率為Gb的直線，與E=E0的伏安特性相交于Q點。交變光信號輸入光照度：交流負載線通過Q點，斜率為Gb+GL，與最大光照度伏安特性交于M點。M點的電壓UM應(yīng)滿足：在最大功率輸出條件下的輸出電壓、功率和電流的表達式：與光電二極管的解析計算過程類似，可求得對光電池交流檢測電路有最大功率輸出的條件為：GL=Gb=GL0最大功率輸出條件的直流偏置電阻的數(shù)值可計算為：4.3.2光電檢測電路的頻率特性光電器件的自身慣性和檢測電路的耦合電容、分布電容等非阻性元件的存在。使光電檢測電路需要一個過渡過程才能對快速變化的輸入光信號建立穩(wěn)定的響應(yīng)。在檢測技術(shù)中常采用頻域分析法。在光電器件以各種耦合方式和電路器件組成檢測電路時，其綜合動態(tài)特性不僅與光電器件本身有關(guān)，而且主要取決于電路的形式和阻容參數(shù)，需要進行合理的設(shè)計才能充分發(fā)揮器件的固有性質(zhì)，達到預(yù)期的動態(tài)要求。描述檢測器件頻率響應(yīng)通道的參數(shù)是通頻帶ΔF，它是檢測電路上限和下限截止頻率所包括的頻率范圍。ΔF愈大，信號通過能力愈強。本節(jié)以器件等效電路為基礎(chǔ)，介紹檢測電路的頻率特性，并給出根據(jù)被測信號的技術(shù)要求設(shè)計檢測電路的實例。1、光電檢測電路的高頻特性除熱釋電器件外，大多數(shù)光電、熱電檢測器件對檢測電路的影響突出地表現(xiàn)在對高頻光信號響應(yīng)的衰減上。光電二極管交流檢測電路微變等效電路圖耦合電容對高頻信號視為短路。e=E0+Emsinωt為輸入光照度;iL為負載電流;Cj為光電二極管結(jié)電容；ib為偏置電流，ij為結(jié)電容電流;ig為反向漏電流。均為復(fù)數(shù)值。由圖得：其中稱為檢測電路的時間常數(shù)上式可改寫成：可得上限頻率：可見，檢測電路的頻率特性與光電二極管參數(shù)Cj和g有關(guān)，還取決于放大電路的參數(shù)GL和Gb。稱為檢測電路的頻率特性對應(yīng)檢測電路不同的工作狀態(tài)，頻率特性式可有不同的簡化形式：①給定輸入光強度，希望負載上獲取最大功率輸出。要求滿足的條件式：時間常數(shù)和上限頻率分別為：此時:②電壓放大時，希望在負載上獲得最大電壓輸出要求滿足的條件式:此時:時間常數(shù)和上限頻率分別為：③電流放大時，希望在負載上獲得最大電流輸出要求滿足的條件式:此時:時間常數(shù)和上限頻率分別為：總結(jié)：

1、為從光電二極管得到足夠的信號功率和電壓，負載電阻RL和直流偏置電阻Rb不能很小，阻值過大，又使高頻截止頻率下降，降低通頻帶，因此要由增益和帶寬綜合考慮選擇負載大小。

2、在電流放大情況下，負載RL取得很小，由后級放大得到足夠的信號增益。因此采用低輸入阻抗、高增益的電流放大器使檢測器件工作在電流放大狀態(tài)，以提高頻率響應(yīng)。這種高增益放大器可在不改變信號通頻帶的前提下提高信號的輸出電壓。2、光電檢測電路的綜合頻率特性檢測電路等效電路光電檢測電路、等效電路如圖。其中考慮了隔直電容、分布電容和放大輸入電容的影響。這些參數(shù)是確定電路通頻帶的重要因素。圖中C0是電路的布線電容，Ci是放大器輸入電容，Cc是級間耦合電容。輸入電路的頻率特性可寫成：其中當(dāng)Rg>>Rb式中：輸入電路的振幅頻率特性：對數(shù)頻率特性：規(guī)整化特性實際對數(shù)特性對數(shù)頻率特性高頻段綜合對數(shù)頻率特性可分為：1、高頻段（ω>ω2=1/T2）ω2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ω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)頻率特性等效電路對數(shù)頻率特性等效電路ω0為這段頻率的中心頻率。頻率滿足ωT1>>1和ωT2<<1。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（ω1<ω<ω2）中頻段低頻段對數(shù)頻率特性等效電路3、低頻段（ω<ω1=1/T1）ω1稱為低頻或下限截止頻率。檢測電路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ω的減小而增大，信號在電容上壓降的提高使輸出信號變小。3、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。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。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。3、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：①對輸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)。下面通過一個實例說明頻率特性設(shè)計的方法：3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計例：用2DU1型光電二極管和兩級相同的放大器組成光電檢測電路。被測光信號的波形如圖，脈沖重復(fù)頻率f=200kHz，脈寬t0=0.5μs，脈沖幅度1V，設(shè)光電二極管的結(jié)電容Cj=3pF，輸入電路的分布電容C0=5pF，設(shè)計該電路的阻容參數(shù)。取包絡(luò)線第二峰值作為信號的高頻截止頻率，包含15個諧波成分，高頻截止頻率fHC取為：此時，認為光信號是不失真的。3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計解：（1）首先分析輸入光信號頻譜，確定檢測電路的總頻帶寬度。周期為T=1/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：頻譜包絡(luò)線零值點的分布間隔為：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fLC為200Hz，則檢測放大器的總頻帶寬近似為ΔF≈3MHz。3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計（2）確定級聯(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，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n級級聯(lián)放大器的高頻截止頻率fnHC和低頻截止頻率fnLC為：將fnHC=fHC=3MHz、fnLC=fLC=200Hz和n=3代入上兩式，可得：則輸入電路和單級放大器的通頻帶寬相同，且：3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計（3）計算輸入電路參數(shù)帶寬為6MHz的輸入電路宜采用電流放大方式，利用前述公式可計算出。RL為后級放大器的輸入阻抗，若取RL為2kΩ，為保證RL<<Rb，取Rb=(10~20)RL，即Rb=10RL=20kΩ。耦合電容C的值

是由低頻截止頻率決定的。由fL=102Hz和下式可計算C值為：取C=1μF，對于第一級耦合電容可適當(dāng)增大10倍，取電容值C=10μF。（why?）3、光電檢測電路頻率特性的設(shè)計（4）計算輸入電路參數(shù)選用二級通用的寬帶運算放大器，放大器輸入阻抗小于2kΩ，放大器通頻帶要求為6MHz，這里取為10MHz。得到如圖所示的檢測電路。圖中輸入電路的直流電源為50V，低于2DU1型光電二極管的最大反向電壓。并聯(lián)的500μF電容用以濾除電源波動。為減少C電解電容寄生電感的影響，并聯(lián)了Cp=200pF的電容。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，無法精確測量，只能用統(tǒng)計的理論和方法去處理。系統(tǒng)噪聲外部噪聲內(nèi)部噪聲包括輻射源隨機波動和附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)的湍流和背景起伏、雜散光的入射及檢測系統(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。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。噪聲和有用信號同時存在相互混淆，影響信號檢測的準確性，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。4.4光電信號檢測電路的噪聲4.4.1檢測電路的噪聲等效處理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。4.4.1檢測電路的噪聲等效處理1、噪聲①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：在純電阻的簡單情況下，R與頻譜無關(guān)，上式可變?yōu)椋合鄳?yīng)的噪聲電流均方值為：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。4.4.1檢測電路的噪聲等效處理當(dāng)溫度為T=300K時，kT=4.14×10-21J，電阻的噪聲電壓和電流有效值變成：例：室溫下1MΩ電阻，如果檢測電路的放大倍數(shù)為1，則在電路通頻帶為Δf=30kHz時輸出的熱噪聲電壓有效值是22.3μV。通頻帶為10MHz時為400μV。整個白噪聲的輸出電壓為413mV。由此可見，檢測電路通頻帶對白噪聲輸出電壓有很強的抑制作用。4.4.1檢測電路的噪聲等效處理②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，光電子從材料表面逸出的隨機性和PN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)換后也表現(xiàn)為散粒噪聲。散粒噪聲的量值不取決于溫度，而由流過器件的平均電流決定。若器件的通頻帶為Δf，它的散粒噪聲電流均方值為：相應(yīng)的噪聲電流有效值In和在負載電阻上引起的噪聲電壓Un分別為：散粒噪聲也是與頻率無關(guān)的白噪聲。4.4.1檢測電路的噪聲等效處理2、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：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：RΣ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。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白噪聲變窄為等效噪聲帶寬Δfe，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Δfe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。4.4.1檢測電路的噪聲等效處理在電阻和電容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：經(jīng)過變換推導(dǎo)，可得噪聲等效帶寬Δfe：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。噪聲電壓均方值變?yōu)椋?.5前置放大器光電系統(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低噪聲前置放大器。低噪聲前置放大器的任務(wù)：

1、放大光電檢測器件所輸出的微弱電信號；

2、匹配后置處理電路與檢測器件之間的阻抗。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。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。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。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，可得等效噪聲源表達式：考慮En和In相關(guān)性，引入相關(guān)項，等效輸入噪聲為：C為相關(guān)系數(shù)4.5.1放大器的噪聲3、En和In的測量當(dāng)Rs很小時，Eni2中主要是En2占優(yōu)勢。當(dāng)Rs很大時，Eni2中主要以Et2和In2Rs2為主，且所以當(dāng)Rs足夠大時，Eni2中主要是In2Rs2起作用。可得到En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值為Au·InRs，用Au·Rs除之，得In。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。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：4.5.1放大器的噪聲噪聲系數(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。對式分子分母同除以Ap，并應(yīng)用式和可得：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：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。4.5.1前置放大器的噪聲5、噪聲匹配式表明噪聲系數(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?？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：4.5.1放大器的噪聲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)。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。4.5.2前置放大器的低噪聲設(shè)計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?。犭娕肌⒐怆姵兀┮话氵x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。

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。4.5.2前置放大器的低噪聲設(shè)計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