zm光电探测器的放大电路汇总PPT学习教案

1、会计学1zm光电探测器的放大电路汇总光电探测器的放大电路汇总2光探测器及光探测器及其偏置电路其偏置电路耦合耦合网络网络低噪声低噪声前置放大器前置放大器多级放大多级放大系统系统反馈电路反馈电路光探测电路示意图光探测电路示意图放大器放大器偏置电路偏置电路后级信号后级信号处理电路处理电路第1页/共63页3第2页/共63页4第3页/共63页5（a）(b) En-In模型Vs信号源，信号源，Zi放大器的输入阻抗，放大器的输入阻抗，RS信号源内阻，信号源内阻， Ens为为RS的热噪声的热噪声En噪声电压源，噪声电压源，In噪声电流源，噪声电流源，Av放大器电压增益，放大器电压增益，利用利用En-In模型的

2、优点：模型的优点：（1）放大器便可看成是无噪声的，对放大器噪声的研究归结为只要分析）放大器便可看成是无噪声的，对放大器噪声的研究归结为只要分析En、In在整个电路中所起的作用。简化了电路系统的噪声的计算。在整个电路中所起的作用。简化了电路系统的噪声的计算。（2）模型的实验基础：能够通过实验测量得出）模型的实验基础：能够通过实验测量得出En、In的具体大小。的具体大小。第4页/共63页6Vs信号源，信号源，Zi放大器的输入阻抗，放大器的输入阻抗，RS信号源内阻，信号源内阻， EnsRS的热噪声的热噪声En噪声电压源，噪声电压源，In噪声电流源，噪声电流源，Av放大器电压增益放大器电压增益Eni放

3、大器输入端的噪声电压，放大器输入端的噪声电压，Vso放大器的输出端电压，放大器的输出端电压，Eno放大器输出端的总噪声放大器输出端的总噪声（c）（b）VsoEno第5页/共63页7visinsEnoAZRZEEns)(visinEnoAZRZEEns )(visisnvisnInoAZRZRIAZRIEn )|()(第6页/共63页822222222)(2)(2)(2 visisnvisinvisinsInoEnoEnonoAZRZRIAZRZEAZRZEEEEEnnnsvisivsAZRZA2222222snnnsvsnoniRIEEAEE第7页/共63页922222snnsnniRIEEE

4、第8页/共63页10（1）测测En。放大器输入端短路，即放大器输入端短路，即Rs0（Ens、InRs均均为零）为零），测得放大器输出端的噪声电压均方根值为，测得放大器输出端的噪声电压均方根值为AvEn ，除以，除以Av得得En；（2）测测In。取一个很大的电阻作为源电阻（或放大器输取一个很大的电阻作为源电阻（或放大器输入端开路），即入端开路），即Rs无穷大（无穷大（InRs），测得放大器输出，测得放大器输出端的噪声电压均方根值为端的噪声电压均方根值为AvsInRs，除以，除以AvsRs得得In。22222snnsnniRIEEE222vsnoniAEEisivvsZRZAA3. 实验方法测放大

5、器的实验方法测放大器的En，In：第9页/共63页11 在实际工作中常常需要衡量一个放大器，或者一个元件在实际工作中常常需要衡量一个放大器，或者一个元件，或者一个系统的噪声性能。系统的噪声性能，不仅仅是指，或者一个系统的噪声性能。系统的噪声性能，不仅仅是指系统本身元器件产生噪声的大小，还包括它系统本身元器件产生噪声的大小，还包括它对信号影响的程对信号影响的程度。度。由于由于Eni的表示式中含有源电阻的表示式中含有源电阻Rs及其热噪声项，故不及其热噪声项，故不宜用宜用Eni作为衡量的指标。另一方面，同时用作为衡量的指标。另一方面，同时用En、In来表示又来表示又比较麻烦。因此，在噪声分析中，通常

6、是用噪声系数比较麻烦。因此，在噪声分析中，通常是用噪声系数NF（Noise Figure）作为衡量放大器或元件、或系统噪声性能的）作为衡量放大器或元件、或系统噪声性能的指标。为了定义噪声系数指标。为了定义噪声系数NF，先给出信噪比的定义。，先给出信噪比的定义。 第10页/共63页1222)/(nosonosoOEEPPNSsoP为输出端信号功率为输出端信号功率noP为输出端噪声功率为输出端噪声功率 第11页/共63页13（1）基本定义pnsnoKEEF22第12页/共63页14（2）推导式一）推导式一22222222222/nssnnnsnsninspnopnsnoERIEEEEEKEKEEF

7、放大器噪声总是存在，放大器噪声总是存在，F大于大于1的原因的原因第13页/共63页15（3）推导式二）推导式二2222222222222/11nspnAnssnnnssnnnsnsniEKEERIEERIEEEEF第14页/共63页16（4）推导式三）推导式三oinosonssinssonosisisonsnopnsnoNSNSEEEEEEEEEEEEKEEF)/()/(/)/(22222222222222不为不为Eni，此时输入端噪声功率仅为源电阻产生的热噪声功率，此时输入端噪声功率仅为源电阻产生的热噪声功率oiNSNSNF)/()/(lg10ovivNSNSNF,)/()/(lg20第15

8、页/共63页17oiNSNSNF)/()/(lg10第16页/共63页182222222222221nssnnsnnssnnnsnsniERIEEERIEEEEFfkTREsns 42fkTRIfkTREFsnsn 441222222222222221nssnnsnnssnnnsnsniERIEEERIEEEEF第17页/共63页19fkTRIfkTREFsnsn 44122第18页/共63页200441222fkTIfkTERRFnnssoptsnnsRIER)(记作fkTIEfkTIEfkTIEFnnnnnn 21441min与功率匹配区别！与功率匹配区别！当当信号源的内阻信号源的内阻等于

9、等于放大器的最佳源电阻值放大器的最佳源电阻值时，时，放大器对检测电路附加的放大器对检测电路附加的噪声最小噪声最小，称为信号源，称为信号源与放大器之间达到了与放大器之间达到了噪声匹配。噪声匹配。这是低噪声设计这是低噪声设计的一个重要原则。的一个重要原则。称称此此时时的的源源电电阻阻为为放放大大器器的的最最佳佳源源电电阻阻，记为Ropt当Rs=Ropt时，可使放大器的噪声系数为最小，这时源电阻和放大器的配置称为“噪噪声声匹匹配配”，这是第19页/共63页21nnsoptIERkTBIEF21nnmin 第20页/共63页22第21页/共63页23noptnERI噪声匹配举例：噪声匹配举例：例：例：

10、 热电偶；热电偶； 热释电探测器；反偏光电二级管热释电探测器；反偏光电二级管-常用器件最佳源电阻分布示意图 第22页/共63页241、用输入变压器实现噪声匹配、用输入变压器实现噪声匹配 （1）应用对象：适用于解决信号源电阻小于最佳源电阻情形下）应用对象：适用于解决信号源电阻小于最佳源电阻情形下的噪声匹配问题。的噪声匹配问题。（2）原理：）原理：soptsRRn2选用适当变压比选用适当变压比第23页/共63页252、利用并联放大器的方法实现噪声匹配、利用并联放大器的方法实现噪声匹配 N个完全相同的放大器并联，如下图所示，个完全相同的放大器并联，如下图所示，该方法等效于减小该方法等效于减小 ，使，

11、使 NRRsoptssoptR第24页/共63页26TTTTTFii1噪声温度的概念是：把噪声温度的概念是：把放大电路的内部噪声看作是由信号源内放大电路的内部噪声看作是由信号源内阻阻Rs在温度为在温度为Ti时所产生的噪声时所产生的噪声。也就是说，如果在放大器输。也就是说，如果在放大器输入端串接一个电阻，其大小等于信号源电阻入端串接一个电阻，其大小等于信号源电阻Rs，当在某个温度，当在某个温度Ti时，其上所产生的热噪声等于放大器本身（不包括源）的噪时，其上所产生的热噪声等于放大器本身（不包括源）的噪声，则称温度声，则称温度Ti为放大器的噪声温度。为放大器的噪声温度。BRkTEsins42 输入端

12、虚设的噪声源输入端虚设的噪声源 2222222nssnnnsnsniERIEEEEF) 1(FTTi第25页/共63页27) 1(FTTi第26页/共63页28第27页/共63页29第28页/共63页30第29页/共63页31第30页/共63页32niPnPKPF 1FPnKp注意，不等于前面的等效输入噪声！而是（注意，不等于前面的等效输入噪声！而是（Ens）2第31页/共63页33Pni 三级放大器的噪声系数三级放大器的噪声系数KP1Pn1F1KP2Pn2F2KP3Pn3F3PnoF1, 2, 3总的输出噪声功率总的输出噪声功率Pno为为323132321nnpnppnipppnoPPKPK

13、KPKKKP总的输出噪声系数总的输出噪声系数F为为nipppnnippnnipnnipppnonipnoPKKKPPKKPPKPPKKKPPKPF3213212113211第32页/共63页34111nniponPPKPniPnniPonPKPPKPF111111nipnPKPF2221nipnPKPF3331nipppnnippnnipnnipppnonipnoPKKKPPKKPPKPPKKKPPKPF321321211321121312111pppKKFKFFF第33页/共63页351212131212, 1111pnppnpppnKKKFKKFKFFF第34页/共63页36第35页/共6

14、3页37fEn/fIn/222snnnARIEEEn（噪声电压）（噪声电压）In（噪声电流）（噪声电流）Rs（信号源内阻）（信号源内阻）OP-07(1kHz)9.6 nVHz-1/2120 fAHz-1/2Rs=10 k9.67 nVHz-1/2Rs=10 M1200 nVHz-1/2LMC662(1kHz) 22 nVHz-1/20.113 fAHz-1/2Rs=10 k22 nVHz-1/2Rs=10 M22 nVHz-1/222222snnnsniRIEEEnAE在在Rs大的情况下，大的情况下， fIn/起着比较大的作用起着比较大的作用 不能仅比较不能仅比较En，还需要考虑，还需要考虑R

15、s和和In， 第36页/共63页38第37页/共63页391069. 713010001301nVnVnVVEVnis1056.55181000181nVnVnVVEVnis例如：标号分别为例如：标号分别为1号、号、2号的前置放大器，其有关数据经计算列于下表：号的前置放大器，其有关数据经计算列于下表： Enif，Rs放大器放大器1 NF=20dB放大器放大器2 NF=3dBRs=100f =100HZ130nV18nVRs=100f =1HZ13nV1.8nV10nisEV如何计算？如何计算？T=300K 第38页/共63页40n当源电阻为当源电阻为10k， OP-07的的NF约为约为4dB，

16、而，而LMC662却为却为11dB，故应选用，故应选用OP07；n当源电阻为当源电阻为10M时，情况正好相反，这时时，情况正好相反，这时OP-07的的NF为为19.08dB，而，而LMC662的的NF只有只有0.025dB，所以选用，所以选用LMC662。n所以所以OP-07适用于低内阻的信号源，而适用于低内阻的信号源，而LMC662适用于高阻抗信号源的低噪声放大。适用于高阻抗信号源的低噪声放大。OP-07的的NF-Rs曲线曲线 LMC662的的NF-Rs曲线曲线 fkTRIfkTREFsnsn 44122FNFlg10第39页/共63页41fkTRENFsni4lg 102第40页/共63页

17、42 第41页/共63页43第42页/共63页44fkTREEEFsninsni4222fkTREFNFsni4lg 10lg 102fkTREsNFni41020 由等值图中最小的由等值图中最小的NF值即能计算出低噪声前放在一定值即能计算出低噪声前放在一定条件下的最小的条件下的最小的Eni，这就是，这就是MDS。 第43页/共63页45第44页/共63页46光探测器及光探测器及其偏置电路其偏置电路耦合耦合网络网络低噪声低噪声前置放大器前置放大器多级放大多级放大系统系统反馈电路反馈电路光探测电路示意图光探测电路示意图放大器放大器偏置电路偏置电路后级信号后级信号处理电路处理电路第45页/共63页

18、47一一. 耦合网络的设计考虑耦合网络的设计考虑第46页/共63页48ZsVs探测器及其偏置电路的等效电路探测器及其偏置电路的等效电路sssjXRZ1探测器及其偏置电路的等效电路探测器及其偏置电路的等效电路 第47页/共63页49cscscscpcpcpjxRZjxRZ2探测器与放大器的耦合方式 Zcp表示耦合网络中的并联阻抗Zcs表示串联阻抗 ZsZcp（1）并联型）并联型第48页/共63页50ZsZcs第49页/共63页51第50页/共63页52nncsnncsIEXIER/nncpnncpIEXIER/abnfffIki12第51页/共63页53低噪声条件：低噪声条件：减小减小EcsZs

19、ZcsnncsnncsIEXIER/EnszszcsEcsEnIn第52页/共63页54ZsZcp并联型并联型nncpnncpIEXIER/噪声条件：噪声条件：减小减小Icp： Icpt 和IcpL 热噪声电流噪声zszcpEnInIcpEnsEnoAv第53页/共63页55 无源器件（电阻、电容、耦合变压器等）的选取无源器件（电阻、电容、耦合变压器等）的选取1、电阻、电阻 ： 尽量用金属膜电阻、线绕电阻，噪声指数：尽量用金属膜电阻、线绕电阻，噪声指数： 不用碳质、碳膜电阻，噪声指数：十几至几十不用碳质、碳膜电阻，噪声指数：十几至几十 。 噪声指数：电阻两端每伏直流压降在十倍频程内产生的均方根噪声指数：电阻两端每伏直流压降在十倍频程内产生的均方根噪噪 声电压微伏值。声电压微伏值。2、电容、电容 ： 应选用损耗角小的云母电容或瓷介电容；大容量电容应选应选用损耗角小的云母电容或瓷介电容；大容量电容应选 用漏电流小的钽电容。用漏电流小的钽电容。 3、耦合变压器、耦合变压器 ： 主要应考虑在外加磁场作用下，由于磁化的不连续性而表现主要应考虑在外加磁