光电信号检测第四章

1、 信息光电子研究所信息光电子研究所Information optoelectronics research 王静王静 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 2一一光电检测电路的设计要求光电检测电路的设计要求二二光电信号输入电路的静态计算光电信号输入电路的静态计算三三光电信号检测电路的动态计算光电信号检测电路的动态计算四四光电信号检测电路的噪声光电信号检测电路的噪声五五前置放大器前置放大器六六光电检测电路举例光电检测电路举例 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics resear

2、ch 3通常的光电检测电路组成通常的光电检测电路组成光电器件输入电路前置放大器光电器件是实现光电转换的核心器件，是沟通光学量和电子系统的接口环节，把被测光信号转换成相应的电信号。输入电路是为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换，同时完成和前置放大器的电路匹配。前置放大器将光电器件输出的微弱电信号进行放大，同时匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 4一光电检测电路的设计要求设计原则：根据光电信号的性质、强弱、光学的和器件的噪声电平以及输出电平和通频带等技术要求来确定电路的连接形式

3、和电路参数，保证光电器件和后续电路最佳的工作状态。使整个检测电路满足下列要求：1. 灵敏的、较强的光电转换能力：光电灵敏度。2. 快速的动态响应能力：频率响应及选择特性。3. 最佳的信号检测能力：信噪比(SNR)、等效噪声功率(NEP)。4.长期工作的稳定性和可靠性： 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 5二光电信号输入电路的静态计算静态计算法是对缓慢变化的光信号采用直流电路检测时使用的设计方法，由于光电检测器件的非线性伏安特性，所采用的方法包括三线性电路的图解法和分段线性化的解析法。按照伏安特性的基本性质可分为三种类型：

4、恒流源型、光伏型和可变电阻。下面以光电二极管或光电池为线索分别介绍各种工作状态下的电路计算方法。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 62/20cmmW1612840 5 10 15mAi/M2/15cmmW2/10cmmW2/5cmmWVU /1200800400040 80 120uAi/lx10000lx6000lx4000lx2000lx500VU /543210200 400 600 800 1000mAi/lm100lm75lm50lm250VU /光电倍增管光电二极管光电三级管4.2.1 恒流源型器件光电信号

5、输入电路在工作电压较小时，曲线呈弯曲，存在一个转折点M，随电压增大，输出电流变化不大，趋于恒流。与晶体管集电极特性曲线类似，可以采用晶体管放大器类似的方法分析。区别在于光电流控制输出电流，而光电流是由输入光功率控制的。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 71、图解计算法：利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。QobUQUIQIIUULbRU000LR1arctanoioU LbIRUIU负载线方程：UUbRLIU负载线与对应输入光通量为0时的器件的伏安特性曲线交点Q，即为输入电路的静态工作点

6、，当0改变时，在负载电阻RL上产生的 电压信号输出和 的电流信号输出。I 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 8图解法适用于大信号状态下的电路分析，在大信号状态下，可定性地输出信号的波形畸变。在做光电开关情况下，可借助图解法合理地选择电路参数，如最大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 9图中给出了Ub不变时，RL的大小对输出信号的影响：输入光通量变化时，负载电阻的减小会增大输出信号电流，而减小输出电压。同时负载电

7、阻的减小会受到最大工作电流和功耗的限制。而过大的RL又使输出负载线进入非线性区，使输出信号波形畸变。obUQ1LR000oioUM2LR3LR321LLLRRR图解法的应用：1、负载电阻的影响分析： 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 10图解法的应用：2、偏置电压的影响分析：o0003bU2bU1bUoioU功耗限制图中给出了RL 不变时，Ub的大小对输出信号的影响：当偏置电压增大时，输出信号电压幅度也随之增大，线性度得到改善，但电路的功耗随之加大，过大的偏置电压会引起光电二极管的反向击穿。 信息光电子研究所信息光电子研

8、究所 Information optoelectronics research 11利用图解法确定输入电路的负载电阻和反向偏置电压大小时，应根据输入光通量的变化范围和输出信号的幅度要求使负载线稍高于转折点M，以便得到不失真的最大电压输出，同时保证反向偏压不大于器件的最大工作电压Umax。1. 由和I选择RL和Ub超过转换点M，以便有最大不失真电压输出。2. 同时保证Ub不大于器件最大工作电压Umax 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 122、解析计算法：对光电器件的非线性伏安特性进行分段折线化，称为折线化伏安特性。折线化

9、的画法一QMPO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdIiMUO0UGarctan0arctanG折线化的画法二折线化的画法 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 13QMPO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdI折线化伏安特性可用下列参数确定：转折电压U0对应于曲线转折点M处的电压值。初始电导G0非线性区近似直线的初始斜率。结间漏电导G线性区各平行直线的平均斜率。光电灵敏度S单位输入光功率所引起的光电流值。PISp光电灵敏度的表达式：P为输入光功率Ip为对应的光电流 信息光电子研究所信息光电子

10、研究所 Information optoelectronics research 14折线化的分析原则： 利用折线化的伏安特性， 可将线性区内任意Q点处的电流值I表示为两个电流分量的和：QMPO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdIpdQIIUfI,Id-为与二极管端电压U成正比，由结间漏电导形成的无光照电流（暗电流）。Ip为与端电压无关，仅取决于输入光功率的光电流。有：那么理想的光电二极管等效电路可表示为：SGUIIIpdIpIpIGRg1 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 15折线化伏安特性的分析：

11、在输入光通量变化范围minmax为已知的条件下，用解析法计算输入电路的工作状态：1、确定线性工作区域：OiM0U0U0UUbbU0arctanGGarctanNLGarctanmax 由最大输入光通量的伏安曲线弯曲处即可确定转折点M。相应的有转折电压U0和初始电导G0，在线段MN有关系：max000SGUUG由此可得：GGSU0max00max0USGG或 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 162、计算负载电阻和偏置电压：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0U

12、bUUU为保证最大线性输出条件，负载线和与对应的伏安曲线效点不能低于转折点M。设负载线通过M点，可得关系：000UGGUULb当Ub已知时，可得负载电导GL或电阻RL：0max011max000GSGGbbLLUSUUUGRG当RL已知时，可得偏置电源电压Ub为：GGGGGSULLb00max 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 173、计算输出电压幅度：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU在输入光通量由min变化到max时，输出电压幅度为：0maxU

13、UU由图中M和N点电流值计算：HSGUUUGbL:minmaxmaxMSGUUUGbL:max00联合求解：LbLGGSUGUminmaxLbLGGSUGUmax0求得U：LLGGSGGSUminmax 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 183、计算输出电流幅度：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU输出电流幅度：UGIIILminmaxLLGGSGGSUminmax由下式可得：LLGGSUGI1minmax通常 ，上式可简化为：GGLSSIminma

14、x 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 194、计算输出电功率：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU由功率关系：UIP可得：LLLGGSGUGUIP2 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 204.2.2 光伏型器件光电信号输入电路mAi/VU /0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-0.2 -0.4-0.6-0.8光伏型器件伏安曲线等效电路光伏型器件伏安曲线如图示，位于第四象

15、限，器件的端电压U和电流I的方向相反，具有赋能元件的性质。这类器件主要是光电池和光电池工作状态下的光电二极管。pUUsIeIIT) 1(光电池输出电流有下列形式：将光电池的伏安特性转到第一象限，即规定电流的正方向，则伏安特性可表示为：) 1(TUUspeIII或sspTIIIIUUln 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 211、光伏型器件输入电路的形式： 无偏置型、反向偏置型和太阳能电池充电电路2、无偏置输入电路的静态计算ULRpIdII电路方程：ULRLRIU1TUUspeIII图解法分析：负载线与给定光通量0对应的伏

16、安曲线的交点即为工作点Q。Q点对应的U和I即为RL上的输出电流和电压。光通量变化时形成相应的输出电流变化和输出电压变化。i0QIIULGarctanQUO 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 22光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析：U2scI1scI1UIO12i2U0LR1R2RMRULRpIdII如图中光通量从1增加到2时，在短路状态RL=0时，输出电流增量I=Isc2-Isc1，输出电压为0。随着RL的增大，电压增大。负载进一步增大，电压饱和，电流变小。也就是说存在一个临界电阻RM，经过RM之后，负载上电压变为饱和

17、，输出电流逐渐减小。当处于最佳临界负载RM时，光通量较小时，负载上输出电流和电压近似随光通量成正比增加，而当光通量较大时，输出电流和电压逐渐呈现饱和。负载越大情况越明显。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 23PUIRLU、I、PRMO另外，可以定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态（U、I、P）的影响：ssLpTIIRUIUUln1TLURIspeIIIssLpLTIIRUIRUUUIPln 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 241U2sc

18、II1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMR负载电阻不同时，光电池有几个工作状态，如图示1、负载电阻较小时，即I区间。光电池处于短路或线性电流放大，可实现电流变换。后续电流放大级可从光电池中吸取最大的输出电流。光电流与光通量有良好的线性关系：SIIeIIIscpRURIspLTL01SI和优点：在短路状态下，器件噪声电流较低，改善信噪比，适于微弱光信号检测。同时与受光面积成正比。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 251U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMR2、负载电阻较

19、大时，即IV区间。光电池处于断路或空载电压输出，实现一种非线性电压变换。光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大器连接，相当于输出开路。输出电压：sTspTsspTocISUIIUIIIUUUlnlnln优点：光电池输出电压的变化不需加偏置电源即可组成控制电路，实现光电开关作用。且较小光通量即可实现较大开路电压的变化，对弱光检测有利。但容易受温度影响，频率特性不理想。输出电压小。输出电压与受光面积的对数成正比。VUoc6.045.0 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 263、在II区间，可得到线性电压输出，在串联的负载电阻

20、上得到与输入光通量近似成正比的信号电压，负载增大可提高输出电压。但超过RM 值时输出信号发生非线性畸变。1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMRRM值的确定：对 展开1TLURIspeIIITLsTLUIR！IUIRSI211已知IsR时，LIULRbULR2LbLRRSUI22LbRRSURI负载电流与光敏电阻阻值无关，近似保持常数。表明：输出信号取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏压成正比。电路信噪比高，适于高灵敏度测量。但偏置电压高达100V以上。通常用晶体管实现恒流偏置。LbLRSUU选取RLR时，加在光敏电阻上的电压近似为电源电压Ub，与R无关。输出信

21、号电压为：LLbLLLRRRSURIRU22适用于检测器本身噪声较大时。适用于检测器本身噪声较大时。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 311TR2TR1R2R0U2I1IAbU 电桥输入电路1221RRRRTT电桥在无辐射照射时，电桥平衡条件：输出电压Uo等于0。电桥在有辐射照射在RT1上时，温度升高引起电阻变化可表示为：RRRT011 此时电桥失去平衡，有电压输出为：221012222101010RRRRRRRURRRURRRRRUUTbTTbb在弱辐射作用下，RRbbERSK 信息光电子研究所信息光电子研究所 In

22、formation optoelectronics research 58式中：2232,1411TTTT06645423TTTTTTTbLibLiGGCRRCT/4cbgbcCRRRCT/5bLjgbjGGCCRRCCT006/，RCTLc000CRRSKTLbE0654TTTTT输入电路的振幅频率特性：222221011TTKTjW对数频率特性：210lg20lg20lg20lg20TTKTjW规整化特性规整化特性实际对数特性实际对数特性OdB3倍频1020dB10lg20TKTjWlg20111 T0221 T对数频率特性 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information opt

23、oelectronics research 59高频段综合对数频率特性可分为：1、高频段（2=1/T2）2101jTTKTjWH2称为上限截止频率。检测电路中的高频衰减主要是因为电路中各电容容抗随的增加而减少，电容分流作用的加大使输出信号变小。对数频率特性OdB3倍频1020dB10lg20TKTjWlg20111T0221TLRbRgRcCjCiC0C等效电路111jTjT21011jTjTjKTjW 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 6010TKTjWM对数频率特性OdB3倍频1020dB10lg20TKTjWlg2

24、0111T0221TLRbRgRcCjCiC0C等效电路0为这段频率的中心频率。频率满足T11和T21。相应的频率特性为：可见，中频段范围内输入电路可看作理想的比例环节，这段频率区间称做电路的通频带。2、中频段（12）111211jTjTjT和21011jTjTjKTjW中频段 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 61低频段对数频率特性OdB3倍频1020dB10lg20TKTjWlg20111T0221TLRbRgRcCjCiC0C等效电路3、低频段（1=1/T1）101jTjKTjWL1称为低频或下限截止频率。检测电路

25、中的低频衰减的物理原因是电路中串联耦合电容的容抗随的减小而增大，信号在电容上压降的提高使输出信号变小。21011jTjTjKTjW112jT 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 623 3、光电检测电路频率特性的设计、光电检测电路频率特性的设计光电检测电路设计的基本要求：保证所需要检测灵敏度的前提光电检测电路设计的基本要求：保证所需要检测灵敏度的前提下获得最好的线性不失真和频率不失真，频率不失真是检测电下获得最好的线性不失真和频率不失真，频率不失真是检测电路频率特性设计需解决的问题。路频率特性设计需解决的问题。对快速变化的

26、复杂信号是若干不同谐波分量的叠加，对确定的环对快速变化的复杂信号是若干不同谐波分量的叠加，对确定的环节，描述它对不同谐波输入信号的响应能力的频率特性是唯一确节，描述它对不同谐波输入信号的响应能力的频率特性是唯一确定的。对多级检测系统可用其组成单元的频率特性间的简单计算定的。对多级检测系统可用其组成单元的频率特性间的简单计算得到系统的综合频率特性，有利于复杂系统的综合分析。得到系统的综合频率特性，有利于复杂系统的综合分析。信号的频率失真会使某些谐波分量的幅度和相位发生变化导致合信号的频率失真会使某些谐波分量的幅度和相位发生变化导致合成波形畸变。为避免频率失真，保证信号的全部频谱分量不产生成波形畸

27、变。为避免频率失真，保证信号的全部频谱分量不产生非均匀的幅度衰减和附加的相位变化，检测电路的通频带应以足非均匀的幅度衰减和附加的相位变化，检测电路的通频带应以足够的宽裕度覆盖住光信号的频谱分布。够的宽裕度覆盖住光信号的频谱分布。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 633 3、光电检测电路频率特性的设计、光电检测电路频率特性的设计检测电路频率特性的设计大体包括下列三个基本内容：检测电路频率特性的设计大体包括下列三个基本内容： 对输入光信号进行傅里叶频谱分析，确定信号的频对输入光信号进行傅里叶频谱分析，确定信号的频谱分布；谱

28、分布； 确定多级光电检测电路的允许通频带宽和上限截止确定多级光电检测电路的允许通频带宽和上限截止频率；频率； 根据级联系统的带宽计算方法，确定单级检测电路根据级联系统的带宽计算方法，确定单级检测电路的阻容参数。的阻容参数。下面通过一个实例说明频率特性设计的方法：下面通过一个实例说明频率特性设计的方法： 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 643 3、光电检测电路频率特性的设计、光电检测电路频率特性的设计例：用例：用2DU12DU1型光电二极管和两级相同的放大器组成光电检测电型光电二极管和两级相同的放大器组成光电检测电路。被

29、测光信号的波形如图，脉冲重复频率路。被测光信号的波形如图，脉冲重复频率f=200kHzf=200kHz，脉宽，脉宽t t0 0=0.5s=0.5s，脉冲幅度，脉冲幅度1V1V，设光电二极管的结电容，设光电二极管的结电容C Cj j=3pF=3pF，输入，输入电路的分布电容电路的分布电容C C0 0=5pF=5pF，设计该电路的阻容参数。，设计该电路的阻容参数。ust5 . 00V1tust5 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 65取包络线第二峰值作为信号的高频截止频率，取包络线第二峰值作为信号的高频截止频率，包含包含15

30、15个谐波成分，高频截止频率个谐波成分，高频截止频率fHC取为：取为：MHzkHzfHC315200此时，认为光信号是不失真的。此时，认为光信号是不失真的。3 3、光电检测电路频率特性的设计、光电检测电路频率特性的设计解：（解：（1 1）首先分析输入光信号频谱，）首先分析输入光信号频谱，确定检测电路的总频带宽度。确定检测电路的总频带宽度。MHzf /1245K001tF Tf1周期为周期为T=1/fT=1/f的方波脉冲时序信号，其频谱的方波脉冲时序信号，其频谱是离散的，谱线的频率间隔为：是离散的，谱线的频率间隔为：kHzsTf200511频谱包络线零值点的分布间隔为：频谱包络线零值点的分布间隔

31、为：MHzstF25 . 0110ust5 . 00V1tust 5频率的零频分量确定信号的直流成分，不影响变化的波形，但为采用交频率的零频分量确定信号的直流成分，不影响变化的波形，但为采用交流放大利用阻容耦合电容隔直。取低频截止频率流放大利用阻容耦合电容隔直。取低频截止频率f fLCLC为为200Hz200Hz，则检测放大，则检测放大器的总频带宽近似为器的总频带宽近似为F3MHz。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 663 3、光电检测电路频率特性的设计、光电检测电路频率特性的设计（2 2）确定级联各级电路的频带宽）确

32、定级联各级电路的频带宽由设计要求，检测电路由输入电路和两级相同放大器串联而成，由设计要求，检测电路由输入电路和两级相同放大器串联而成，设三级带宽相同设三级带宽相同，根据电子学系统频带宽计算式，相同，根据电子学系统频带宽计算式，相同n n级级联级级联放大器的高频截止频率放大器的高频截止频率f fnHCnHC和低频截止频率和低频截止频率f fnLCnLC为：为：121nHnHCff121nLnLCff将将f fnHCnHC= =f fHCHC=3MHz=3MHz、f fnLCnLC= =f fLCLC=200Hz=200Hz和和n=3n=3代入上两式，可得：代入上两式，可得：MHzMHzfH612

33、331HzHzfL1021220031则输入电路和单级放大器的通频带宽相同，且：则输入电路和单级放大器的通频带宽相同，且：MHzF6 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 673 3、光电检测电路频率特性的设计、光电检测电路频率特性的设计（3 3）计算输入电路参数）计算输入电路参数带宽为带宽为6MHz6MHz的输入电路宜采用的输入电路宜采用电流放大（？）电流放大（？）方式，利用前述方式，利用前述公式可计算出。公式可计算出。kCCfRjHL3 .3210R RL L为后级放大器的输入阻抗，若为后级放大器的输入阻抗，若取取R R

34、L L为为2k2k，为保证，为保证R RL LR Rb b，取，取R Rb b=(10=(1020)R20)RL L，即，即R Rb b=10R=10RL L=20k=20k。0CCRjL02121CCRfjLH耦合电容耦合电容C C的值的值 是由低频截止频率决定的。是由低频截止频率决定的。由由f fL L=102Hz=102Hz和下式和下式CRRfbLL21可计算可计算C C值为：值为：FFCRRCbL07. 021取取C=1FC=1F，对于第一，对于第一级耦合电容可适当增级耦合电容可适当增大大1010倍，取电容值倍，取电容值C=10FC=10F。（。（why?why?） 信息光电子研究所信

35、息光电子研究所 Information optoelectronics research 683 3、光电检测电路频率特性的设计、光电检测电路频率特性的设计（4 4）计算输入电路参数）计算输入电路参数V50F50012DUbRk20pF200Rk2FC10CCk2选用二级通用的宽带运算放大器，放大器输入阻抗小于选用二级通用的宽带运算放大器，放大器输入阻抗小于2k2k，放大器通频带要求为，放大器通频带要求为6MHz6MHz，这里取为，这里取为10MHz10MHz。得到。得到如图所示的检测电路。如图所示的检测电路。图中输入电路的直流电源为图中输入电路的直流电源为50V50V，低于，低于2DU12D

36、U1型光电二极管的型光电二极管的最大反向电压。并联的最大反向电压。并联的500F500F电容用以滤除电源波动。为减电容用以滤除电源波动。为减少少C C电解电容寄生电感的影响，并联了电解电容寄生电感的影响，并联了C Cp p=200pF=200pF的电容。的电容。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 69本节结束 信息光电子研究所信息光电子研究所Information optoelectronics research 07.4.1207.4.12 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectr

37、onics research 71检测器检测器在光电转换过程中，既存在检测信号电压或信号电在光电转换过程中，既存在检测信号电压或信号电流，还伴随着无用的噪声电压或噪声电流。噪声是一种随流，还伴随着无用的噪声电压或噪声电流。噪声是一种随机过程，其波形和瞬时振幅及相位是无规则变化的，无法机过程，其波形和瞬时振幅及相位是无规则变化的，无法精确测量，只能用统计的理论和方法去处理。精确测量，只能用统计的理论和方法去处理。系系统统噪噪声声外部噪声外部噪声内部噪声内部噪声包括辐射源随机波动和附加的光调制、光路传包括辐射源随机波动和附加的光调制、光路传输介质的湍流和背景起伏、杂散光的入射及检输介质的湍流和背景

38、起伏、杂散光的入射及检测系统所受到的电磁干扰测系统所受到的电磁干扰这些噪声可以通过稳定辐射源、遮断杂光、选这些噪声可以通过稳定辐射源、遮断杂光、选择偏振面或滤色光片及电气屏蔽、电干扰滤波择偏振面或滤色光片及电气屏蔽、电干扰滤波等加以改善或消除。等加以改善或消除。是光电检测器件和检测电路等器件固有噪声，是光电检测器件和检测电路等器件固有噪声，是基本物理过程决定的，不可人为消除。是基本物理过程决定的，不可人为消除。噪声和有用信号同时存在相互混淆，影响信号检测的准确性，限噪声和有用信号同时存在相互混淆，影响信号检测的准确性，限制检测系统的分辨率的提高。光电信号处理过程核心问题之一就制检测系统的分辨率

39、的提高。光电信号处理过程核心问题之一就是有关噪声干扰的分析以及如何从噪声中提取微弱的信号。在检是有关噪声干扰的分析以及如何从噪声中提取微弱的信号。在检测电路设计中，需综合噪声估算，确保检测系统必需的信噪比。测电路设计中，需综合噪声估算，确保检测系统必需的信噪比。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 72光辐射检测器中存在的内部噪声主要有热噪声、散粒噪声、半导体中产生复合噪声、温度噪声和闪烁（1/f）噪声。在一个检测系统中，检测器产生的噪声对系统性能的影响比前置放大器和其它信号处理部件产生的噪声要大得多。一般光电检测器件中主

40、要的噪声是热噪声和散粒噪声。下面做简要介绍并讨论等效噪声电路。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 731、噪声 热噪声热噪声是电阻性电路器件的共性噪声，噪声电压均方值取决于材料的温度，并有关系式：dffRkTUffT2142度。为热噪声的频谱分布宽关系；表示电阻随频率的变化为材料的热力学温度；为波尔兹曼常数；式中：12)(ffffRTk在纯电阻的简单情况下，R与频谱无关，上式可变为：fkTRUT 42RfkTIT 42相应的噪声电流均方值为： 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectr

41、onics research 74温度一定时，热噪声只与电阻和通频带有关，因此热噪声又称电阻噪声或白噪声。与频率无关，在通带内任何频率上噪声电压和噪声功率是同样数值，即噪声功率谱在通带内产平坦的。带宽愈大，噪声功率愈大。但只适合于1012Hz以下的频率范围。当温度为T=300K时，kT=4.1410-21J，电阻的噪声电压和电流有效值变成：21101029.14JfRfkTRUT2129.1JRfIT例：室温下1M电阻，如果检测电路的放大倍数为1，则在电路通频带为f=30kHz时输出的热噪声电压有效值是22.3V。通频带为10MHz时为400V。整个白噪声的输出电压为413mV。由此可见，检测

42、电路通频带对白噪声输出电压有很强的抑制作用。f2TUf信号通频带OkTR4白噪声 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 75 散粒噪声散粒噪声是光辐射随机起伏导致和光电流的随机起伏所造成的，光电子散粒噪声是光辐射随机起伏导致和光电流的随机起伏所造成的，光电子从材料表面逸出的随机性和从材料表面逸出的随机性和PNPN结中载流子过结数的随机性都是这种散粒结中载流子过结数的随机性都是这种散粒噪声源。此外光辐射中光子到达率的起伏在某些检测器光电转换后也表噪声源。此外光辐射中光子到达率的起伏在某些检测器光电转换后也表现为散粒噪声。现为散

43、粒噪声。散粒噪声的量值不取决散粒噪声的量值不取决于温度，而由流过器件于温度，而由流过器件的平均电流决定。若器的平均电流决定。若器件的通频带为件的通频带为f f，它的，它的散粒噪声电流均方值为：散粒噪声电流均方值为：fqIIDCn 22为光电流平均值为电子电荷量；DCIq相应的噪声电流有效值相应的噪声电流有效值I In n和在负载电和在负载电阻上引起的噪声电压阻上引起的噪声电压U Un n分别为：分别为：fqIIDCn2fqIRRIUDCnn2散粒噪声也是与频率无关的白噪声。散粒噪声也是与频率无关的白噪声。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics

44、 research 762、等效噪声电路工程上作噪声处理时，为计算方便，常作等效处理。将噪声等效为相同形式的均方值（或有效值）电流源的形式，便于与其它电器件以统一的方式建立起等效噪声电路：RRTI如图示为简单电阻的噪声等效电路，由热噪声电流源IT和电阻并联。若两个电阻串并联组成合成电路，综合噪声电流等效电路的噪声电流表示为：RfkTIT42R为合成电阻。在更为复杂的情况下，应将所有电阻合成简化电路，由上式确定噪声等效电路。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 77由以上分析，并联RC电路对噪声的影响相当于使电阻热噪声的频谱

45、白噪声变窄为等效噪声带宽fe，其物理意义：频带变窄后的噪声非均匀分布曲线所围图形面积等于以fe为带宽、4kTR为恒定幅值的矩形区面积。也就是说用均匀等幅的等效带宽代替了实际噪声频谱的不均匀分布。2TUfefO 214ffdffRkT在电阻和电容C并联的情况下，电容C的频率特性使合成阻抗随频率的增加而减少，合成电阻表示为：221fRCRfR经过变换推导，可得噪声等效带宽经过变换推导，可得噪声等效带宽f fe e：RCfe41eTfkTRU 42这就是阻容电路热噪声的一般表示这就是阻容电路热噪声的一般表示式。适用于散粒噪声计算。式。适用于散粒噪声计算。f2TUf信号通频带OkTR4白噪声噪声电压均

46、方值变为： 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 78光电系统中微弱的光信号被深埋在噪声之中，要有效地利用这种信号，必光电系统中微弱的光信号被深埋在噪声之中，要有效地利用这种信号，必要对其进行放大。光电检测系统中，光电器件的输出端紧密连接一个要对其进行放大。光电检测系统中，光电器件的输出端紧密连接一个低噪低噪声前置放大器声前置放大器。低噪声前置放大器低噪声前置放大器的任务：的任务： 1 1、放大光电检测器件所输出的微弱电信号；、放大光电检测器件所输出的微弱电信号； 2 2、匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。、匹配后置处理

47、电路与检测器件之间的阻抗。对对前置放大器前置放大器的要求：的要求： 1 1、性能上性能上：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号 带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。 2 2、结构上：结构上：紧凑、靠近检测器件，良好的接地与屏蔽。紧凑、靠近检测器件，良好的接地与屏蔽。通常要求性能良好的低噪声放大器作为光检测器件的前置放大器。通常要求性能良好的低噪声放大器作为光检测器件的前置放大器。因此如何设计和应用低噪声放大器，如何将一定偏置状态下的检测器件因此如何设计和应用低噪声放大器，如何将一定偏置状态下的检测器件

48、与前置放大器耦合是必须考虑的重要问题。与前置放大器耦合是必须考虑的重要问题。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 79sRtEsUnEiEnIiZsoUnoE放大器无噪声将放大器内的所有噪声源折算到输入端，一个阻抗为零的噪声电压源将放大器内的所有噪声源折算到输入端，一个阻抗为零的噪声电压源E En n串联在输入端和阻抗为无限大噪声电流源串联在输入端和阻抗为无限大噪声电流源I In n与输入端并联。放大器内部与输入端并联。放大器内部成为一个无噪声放大器。成为一个无噪声放大器。E En n和和I In n通过测量得到。这种等效

49、模型称为放大器通过测量得到。这种等效模型称为放大器的的E En n-I-In n噪声模型。噪声模型。信号源与放大器组成的系统的噪声源信号源与放大器组成的系统的噪声源为三个：为三个：E En n、I In n和和E Et t。用。用“等效输入噪等效输入噪声声E Enini”表示，可得等效噪声源表达式：表示，可得等效噪声源表达式：22222sntnniRIEEE考虑考虑E En n和和I In n相关性，引入相关项，等效输入噪声为：相关性，引入相关项，等效输入噪声为：snnsntnniRICERIEEE222222C C为相关系数为相关系数 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information

50、 optoelectronics research 80sRtEsUnEiEnIiZsoUnoE放大器无噪声当当R Rs s很小时，很小时，E Enini2 2中主要是中主要是E En n2 2占优势。占优势。22222sntnniRIEEE22nRniEEs很小当当R Rs s很大时，很大时，E Enini2 2中主要以中主要以E Et t2 2和和I In n2 2R Rs s2 2为主，且为主，且stRE2222ssnRRI所以当所以当R Rs s足够大时，足够大时， E Enini2 2中主要是中主要是I In n2 2R Rs s2 2起作用。起作用。fkTREst4可得到可得到E

51、En n和和I In n的测量方法：的测量方法：放大器输入端短路，即放大器输入端短路，即R Rs s=0=0，测得放大器输出端的噪声电压均方值为，测得放大器输出端的噪声电压均方值为A Au uE En n，用，用A Au u除之，得除之，得E En n。A Au u为放大器电压增益。为放大器电压增益。取一个很大的电阻作为源电阻取一个很大的电阻作为源电阻R Rs s，测得放大器输出端的噪声电压均方值，测得放大器输出端的噪声电压均方值为为A Au uIIn nR Rs s，用，用A Au uRRs s除之，得除之，得I In n。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information opto

52、electronics research 81噪声系数是描述放大器或其它电路的噪声性能，噪声系数噪声系数是描述放大器或其它电路的噪声性能，噪声系数F F的定义为的定义为放大器总输出噪声功率与源电阻在放大器输出端的噪声功率之比。可放大器总输出噪声功率与源电阻在放大器输出端的噪声功率之比。可表示为：表示为：nipnoPAPFA Ap p为放大器的功率增益；为放大器的功率增益；P Pnini为放大器的输入噪声功率，即源电阻产生为放大器的输入噪声功率，即源电阻产生的噪声功率；的噪声功率；A Ap pP Pnini表示了源电阻在放大器输出端产生的噪声功率；表示了源电阻在放大器输出端产生的噪声功率；P P

53、nono为放大器输出端总的噪声功率。为放大器输出端总的噪声功率。输出信噪比输入信噪比nosonisiPPPPF引入引入A Ap p（输出信号功率（输出信号功率P Psoso与输入信号与输入信号P Psisi之比）表示式，噪声系数可之比）表示式，噪声系数可表示为：表示为： 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 82噪声系数是对放大器引起信噪比恶化程度的量度，一个好的放大器应该是在源热噪声的基础上增加尽可能少的噪声，使噪声系数F接近于1。或者说使放大器的输出信噪比接近于输入信噪比。对式nipnoPAPF分子分母同除以Ap，并应用

54、式fkTREst422222sntnniRIEEE和fkTRIfkTREEEFsnsntni4412222输入端源电阻噪声功率声功率放大器总的等效输入噪可得：式中f为放大系统的噪声等效带宽噪声系数是功率比，可用分贝表示：FNFlg10噪声系数主要是用于比较放大器的噪声性能，不一定是放大器噪声特性的最佳合适标志。因为同一放大器，在源电阻增大，热噪声随之增加，使得噪声减小。但放大器本身噪声性能并没改变。这种噪声系数的变小，对放大器本身设计没有意义。只有在源电阻相同的情况下，减小噪声系数才有意义。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics resear

55、ch 83fkTRIfkTREEEFsnsntni4412222式表明噪声系数与源电阻Rs有关。当Rs较小时，放大器的噪声电压En项大于其他两项，随源电阻Rs的增加，热噪声增加，噪声系数由于源电阻热噪声的增大而减小。当Rs增加到足够大时，放大器的噪声电流项InRs成为主要项，以至噪声系数随源电阻的增加而增加。在其中某个Rs值时，噪声系数存在一个最小值，此时放大器在源热噪声基础上噪声增加最小，这个源电阻称做最佳源电阻R0。22222sntnniRIEEE044122fkTRIfkTREdRddRdFsnsnss可得：nnsIERR0上式被称为噪声匹配条件，此时得噪声系数最小值为：fkTIEFnn

56、21min满足噪声匹配条件时最小噪声系数与放大器的En和In的乘积有关。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 84在实际多级放大器中，总的噪声系数主要是由第一级噪声系数F1决定。因此在级联放大器设计中，尽量提高第一级的功率增益或电压增益，尽量压低第一级放大器的噪声。低噪声前置放大器的设计要求及步骤：1、首先满足放大器间的噪声指标，考虑器件选取和低噪声工作点的确立。注意满足信号源阻抗与放大器间的噪声匹配。2、考虑电路组态、级联方式及负反馈等以满足对放大器增益、频率响应、输入输出阻抗等方面的要求。3、为获得良好的噪声性能，通常还要采取避免外来干扰的多种措施。 信息光电子研究所信息光电子研究所 Information optoelectronics research 851. 噪声匹配的方法要使前置放大器获得最佳噪声性能，必须满