改 11光电检测电路与信号处理

1、第第1111章章 光电检测电路与信号处理光电检测电路与信号处理11.1 检测电路的带宽和频率特性检测电路的带宽和频率特性11.2 前置放大器的低噪声设计前置放大器的低噪声设计11.3 微弱光电信号的处理方法微弱光电信号的处理方法有特殊要求的有特殊要求的电学信号处理方法电学信号处理方法 1. 1. 检测电路带宽的检测电路带宽的含义含义通频带通频带K ( f )ffLCfHC70.7%100%Df = fHC fLC 11.1.1 检测电路的带宽检测电路的带宽检测电检测电路路带宽带宽ff 太小，波形失真太小，波形失真f 太大，白噪声大太大，白噪声大检测电路带宽检测电路带宽f 根据根据信号的频谱特性

2、（信信号的频谱特性（信号带宽）号带宽）来确定来确定 2.2.检测电路带宽检测电路带宽对信号质量的影响对信号质量的影响3. 3. 检测电路检测电路带宽的确定带宽的确定正弦调制信号正弦调制信号: : Ff2脉冲波信号：脉冲波信号： d(0.25 0.75) /fttd为脉冲宽度为脉冲宽度 振幅调制振幅调制：Fmff12频率调制频率调制：要求信噪比高：要求信噪比高：要求脉冲形状好：要求脉冲形状好：d4/ft（ 1 ）信号带宽信号带宽T Ttd检测电路频率特性的设计步骤：检测电路频率特性的设计步骤：1.1.确定检测电路带宽和截止频率确定检测电路带宽和截止频率2.2.多极检测电路带宽分配多极检测电路带宽

3、分配3.3.确定单级检测电路的阻容参数确定单级检测电路的阻容参数11.1.2 检测电路的频率特性设计检测电路的频率特性设计激光脉冲周期为激光脉冲周期为T=5s，脉宽，脉宽td=0.5s 光电二极管接收，输入电路为电流放大方式，结电光电二极管接收，输入电路为电流放大方式，结电容容Cj=3pF，输入电路分布电容，输入电路分布电容C0=5pF，设计该电，设计该电路的阻容参数路的阻容参数例例 输入级电路等效电路输入级电路等效电路RL1为放大为放大器输入阻抗器输入阻抗1.1.确定检测电路带宽和截止频率确定检测电路带宽和截止频率系统下限截止频率系统下限截止频率fnLC的确定：的确定：信号频谱频率间隔为：信

4、号频谱频率间隔为：f=1/T=1/5us=200kHz频谱的零频分量确定信号的直流分量，因此，取频谱的零频分量确定信号的直流分量，因此，取fnLC为为200Hz不影响波形不影响波形系统带宽的确定：系统带宽的确定：因系统带宽取因系统带宽取f=（1-4）/td时，脉冲形状较好，取时，脉冲形状较好，取f为为1.5/ td=3MHz系统上限截止频率系统上限截止频率fnHC的确定：的确定： fnHC约为约为3MHz2.2.多极检测电路带宽分配多极检测电路带宽分配系统与单级上限截止频率关系：系统与单级上限截止频率关系：1/21nn H CH Cff1/21L Cn L Cnff系统与单级下限截止频率关系：

5、系统与单级下限截止频率关系：fnHC=3MHzn=3fHC=6MHzfnLC=200Hzn=3fHC=102MHz检测电路由输入电路和两极相同的放大器串联，检测电路由输入电路和两极相同的放大器串联，取三级带宽相同取三级带宽相同3.3.确定单级检测电路的阻容参数确定单级检测电路的阻容参数11112()()2(/ /)H CjLjoLobRRRfCCCCRL1=3.3K，选为，选为2K；取；取Rb=10RL1=20K电容容抗为电容容抗为1/jC，高频时并联电容分流大导，高频时并联电容分流大导致高频输出衰减致高频输出衰减光伏探测器频率特性一般由光伏探测器频率特性一般由电路时间常数电路时间常数决决定定

6、输入级上限截止输入级上限截止频率与那些参数频率与那些参数有关有关输入电路为电流放大方式，则输入电路为电流放大方式，则RbRL11112()()CbCLLfRRC输入级下限截止频率由耦合电容决定输入级下限截止频率由耦合电容决定CC1=0.07uF，取为，取为1uF，对于第一级耦合电容可适当，对于第一级耦合电容可适当增大增大10倍，取为倍，取为10uF电容容抗为电容容抗为1/jC，低频时耦合电容分压大导致低，低频时耦合电容分压大导致低频输出衰减频输出衰减输入级下限截止输入级下限截止频率与那些参数频率与那些参数有关有关RL1=RL2=2k，CC1=CC2=1uF。选用放大器输入阻抗小于选用放大器输入

7、阻抗小于2k，放大器通频带要，放大器通频带要求为求为6MHz，取为，取为10MHz。直流电源电压取为直流电源电压取为50V，小于光电二极管的最大，小于光电二极管的最大反向偏压。反向偏压。并联的并联的500uF电容用于滤除电源的波动电容用于滤除电源的波动第第1111章章 光电检测电路与信号处理光电检测电路与信号处理11.1 检测电路的带宽和频率特性检测电路的带宽和频率特性11.2 前置放大器的低噪声设计前置放大器的低噪声设计11.3 微弱光电信号的处理方法微弱光电信号的处理方法有特殊要求的有特殊要求的电学信号处理方法电学信号处理方法 1. 放大器放大器EnIn噪声模型：噪声模型： 把放大器所有元

8、件噪声折算到输入端把放大器所有元件噪声折算到输入端 阻抗为零的噪声电压源阻抗为零的噪声电压源En 阻抗为无穷大的噪声电流源阻抗为无穷大的噪声电流源InUsi为信号源电压为信号源电压Rs为信号源电阻为信号源电阻Ens为信号源电阻为信号源电阻的热噪声的热噪声放大器噪声的评价方法放大器噪声的评价方法纯电阻纯电阻信号源信号源仅有仅有热热噪声噪声等效输入噪声电压均方值等效输入噪声电压均方值 2222ninsnnsEEEI R 2222ninsn222nin4nssnsEEEI REKTRfEI R En、In的测量的测量放大器输入端短路，即放大器输入端短路，即Rs=0，测得放大器输出端，测得放大器输出端

9、的噪声电压均方根值为的噪声电压均方根值为AuEn，除以，除以An得到得到En放大器输入端接一个很大的电阻放大器输入端接一个很大的电阻Rs，测得放大器，测得放大器输出端的噪声电压均方根值为输出端的噪声电压均方根值为AuInRs，除以，除以AuRs得得到到In首先信号电压首先信号电压源源Usi置零置零F=1， 理想的理想的无噪声无噪声放大器放大器F 1，实际的，实际的有噪声有噪声放大器放大器噪声系数噪声系数F反映了放大器的噪声使系统信噪比变坏反映了放大器的噪声使系统信噪比变坏的程度，是衡量放大器噪声性能好坏的重要指标。的程度，是衡量放大器噪声性能好坏的重要指标。 2. 噪声系数噪声系数 P0P0P

10、iPi0i/NSNSNSNSF）放大器输出信噪比（）放大器输入信噪比（32n1P1P1P2P1P2P n1111FFFFFAAAAAAn级级联放大电路级级联放大电路噪声系数：噪声系数： AP1很大时，很大时，F F1前置放大器的噪声贡献前置放大器的噪声贡献P0PPi/NAFN放大器总的等效输入噪声功率输入端源电阻热噪声功率P0P0PiPi0i/NSNSNSNSF）放大器输出信噪比（）放大器输入信噪比（22222222nsnnsnsnin2222nsnsnsnsss22nn1144EEI RI REEFEEEEIEkTfRfRkT ss22nn144IEFkRTfRkT f 0sRFnnsopt

11、sIERRfkTIEF 21nnmin放大器最佳源电阻放大器最佳源电阻当当信号源的内阻信号源的内阻等于等于放大器的最佳源电阻值放大器的最佳源电阻值时，放时，放大器对检测电路附加的大器对检测电路附加的噪声最小噪声最小，称为信号源与放，称为信号源与放大器之间达到了大器之间达到了噪声匹配。噪声匹配。不要混淆噪声匹配和功率匹配，最佳源电阻并不是不要混淆噪声匹配和功率匹配，最佳源电阻并不是最大传输功率时的电阻最大传输功率时的电阻 nsoptnERI噪声匹配举例：噪声匹配举例： 热敏电阻；热敏电阻； 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 例：例： 热电偶；

12、热电偶； 光电池光电池 纯电阻纯电阻 信号源信号源探测器探测器信号源信号源仅有仅有热噪声热噪声热噪声热噪声其他噪声其他噪声探测器探测器信号源信号源热噪声热噪声其他噪声其他噪声经推导得：放大器噪声系数经推导得：放大器噪声系数F Rsopt取取Rsopt Rsopt = En / In 作为噪声匹配电阻作为噪声匹配电阻, 噪声噪声系数计算的最大误差不超过系数计算的最大误差不超过30%。其计算结果在。其计算结果在工程实际允许的误差范围内工程实际允许的误差范围内第第1111章章 光电检测电路与信号处理光电检测电路与信号处理11.1 检测电路的带宽和频率特性检测电路的带宽和频率特性11.2 前置放大器的

13、低噪声设计前置放大器的低噪声设计11.3 微弱光电信号的处理方法微弱光电信号的处理方法有特殊要求的有特殊要求的电学信号处理方法电学信号处理方法 11.3 微弱光电信号的检测与处理微弱光电信号的检测与处理 S/N 1 微弱信号微弱信号（微弱光电信号）（微弱光电信号）生物生物超微弱超微弱发光发光 101000个光子个光子/ scm2 高反射片的高反射片的散射光（反射率散射光（反射率0.99990.9999）导弹等飞行体辐射导弹等飞行体辐射 强烈背景辐射强烈背景辐射 问题的提出问题的提出 锁相放大器锁相放大器取样积分器取样积分器光子计数系统光子计数系统常用微弱光电信号检测方式：常用微弱光电信号检测方

14、式：11.3.1 锁相放大器锁相放大器Lock-in Amplifieres，简称，简称LIA 锁定放大器由锁定放大器由信号通道信号通道、参考通道参考通道和和相敏检波相敏检波等三等三个主要部分组成个主要部分组成 。信号通道信号通道 放大器，窄带滤波（预处理）放大器，窄带滤波（预处理）参考通道参考通道 触发电路触发电路( (调制信号控制调制信号控制) )，移相，移相相敏检波相敏检波 乘法器，低通滤波，放大器乘法器，低通滤波，放大器基本结构基本结构 基本原理基本原理ssm0rrm0cos()cosUUtUUt（）osrsmrm01cos()cos()22UU UU Uttosmrm1cos()2U

15、U Ut =0， =0，输，输出直流信号最大出直流信号最大osmrm12UU U 11.3.2取样积分器取样积分器又称为又称为Boxcar平均器平均器 一个周期性十分微弱的一个周期性十分微弱的信号被背景噪声所淹没信号被背景噪声所淹没如何从背景噪声中检测如何从背景噪声中检测出该周期性信号呢？出该周期性信号呢？取样积分器工作的前提取样积分器工作的前提微弱周期信号的周期是已知的。微弱周期信号的周期是已知的。如：激光脉冲测距的激光脉冲周期是已知的如：激光脉冲测距的激光脉冲周期是已知的取样积分器的思路取样积分器的思路如果们能够很准确地对准周期信号的某一点，在每如果们能够很准确地对准周期信号的某一点，在每

16、个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样值保存在积分器中值保存在积分器中经过经过m m次取样后，信号得到了倍增，而随机噪声长次取样后，信号得到了倍增，而随机噪声长时间的平均值将收敛为零，所以信号能从噪声中显时间的平均值将收敛为零，所以信号能从噪声中显现出来现出来如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有可能将被噪声淹没的信号恢复波形。可能将被噪声淹没的信号恢复波形。定点测量方式定点测量方式扫描测量方式扫描测量方式定点测量方式定点测量方式开关动作由触发信号控制，它由光载波的调制信号形成。开关动作由触发信号控制，

17、它由光载波的调制信号形成。在开关接通的时间内，输入信号通过电阻在开关接通的时间内，输入信号通过电阻R向存储电容向存储电容C充电，得到信号积分值，噪声长时间积分值为零充电，得到信号积分值，噪声长时间积分值为零扫描测量方式扫描测量方式可以可以恢复恢复和和记录记录 被测周期性被测周期性信号波形信号波形若门延时借助慢扫描电压若门延时借助慢扫描电压缓慢而连续改变，则可扫缓慢而连续改变，则可扫描整个周期性信号描整个周期性信号11.3.3 光子计数系统光子计数系统锁定放大器和取样积分器：锁定放大器和取样积分器：适应于适应于周期性、连续性周期性、连续性的的信号检测信号检测 更微弱光信号量子特征：更微弱光信号量

18、子特征： u离散信号脉冲离散信号脉冲u不具有周期性重复特征不具有周期性重复特征光子计数器用于测量光子计数器用于测量10-16W的连续弱辐射：的连续弱辐射：1610W1510W1310W10-14W He-Ne连续弱辐射发射光子的速率连续弱辐射发射光子的速率1414410103.18 10 /nshhc光电倍增管接收单光子产生的电流脉冲幅值光电倍增管接收单光子产生的电流脉冲幅值单光子单光子阳极电子数阳极电子数105-107(宽度为宽度为5-15ns脉冲脉冲)6199101.6 101610 10pQIAt第一鉴别电平第一鉴别电平系统结构：系统结构：p99图4-47低于第一鉴别电平的脉冲低于第一鉴别电平的脉冲高于第二鉴别电平的