光电检测电路的低噪声设计

1、光学信号变换光学信号变换光电信号变换光电信号变换电学信号变换电学信号变换系统噪声系统噪声外部噪声外部噪声内部噪声内部噪声包括：包括：辐射源的随机波动和附加的光调制、光路传辐射源的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、杂散光的入射以及检测输介质的湍流和背景起伏、杂散光的入射以及检测电路所受到的电磁干扰等电路所受到的电磁干扰等 可以通过稳定辐射光源、遮断杂光、选择偏振片或可以通过稳定辐射光源、遮断杂光、选择偏振片或滤色片减小或消除，对电磁干扰采用电气屏蔽、电滤色片减小或消除，对电磁干扰采用电气屏蔽、电干扰滤波等措施加以改善或消除。干扰滤波等措施加以改善或消除。 光电检测器件、检测电

2、路等器件的固有噪声，是基光电检测器件、检测电路等器件的固有噪声，是基本物理过程决定的，不可人为消除。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，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，限制了检测系统分辨率的提高限制了检测系统分辨率的提高 。光电信号处理的核心问题之一就。光电信号处理的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有用信号。因此，是有关噪声干扰的分析以及如何从噪声中提取有用信号。因此，在光电检测电路设计中，要进行综合噪声估算以确保可靠检测所在光电检测电路设计中，要进行综合噪声估算以确保可靠检测所必需的信噪比。必需

3、的信噪比。 问题的提出问题的提出 探测器噪声探测器噪声输入偏置电路噪声输入偏置电路噪声 前置放大器噪声前置放大器噪声光电检测电路噪声光电检测电路噪声问题的提出问题的提出 前置放大器噪声设计前置放大器噪声设计光电检测电路的噪声等效处理及估算光电检测电路的噪声等效处理及估算1噪声类型噪声类型 热噪声热噪声是导电材料中由于载流子的无规则热运动而在材料是导电材料中由于载流子的无规则热运动而在材料两端产生的随机涨落电压，是两端产生的随机涨落电压，是电阻性电路器件的共电阻性电路器件的共性噪声性噪声。噪声电压均方值取决于材料的。噪声电压均方值取决于材料的温度温度 fkTRUT4宽为热噪声的频谱分布带12ff

4、fRfkTIT4噪声功率与频率无关，为白噪声噪声功率与频率无关，为白噪声检测电路检测电路通频带通频带对白噪声输出电压有很强的抑制作用对白噪声输出电压有很强的抑制作用 如对于室温下如对于室温下R=1M电阻电阻: 电路放大倍数为电路放大倍数为1VUMHzfVUkHzfTT400103 .2230时，时，21)(42ffTdffRkTU10.2.110.2.1光电检测电路的噪声等效处理及估算光电检测电路的噪声等效处理及估算散粒噪声散粒噪声探测器的散粒噪声是由载流子的由载流子的微粒性引起的。探测器的散粒噪声是由载流子的由载流子的微粒性引起的。光辐射中光子到达率的起伏，光电子从材料表面逸出的随机光辐射中

5、光子到达率的起伏，光电子从材料表面逸出的随机性，性，PN结中过结数的随机性。结中过结数的随机性。和热噪声不同，散粒噪声的量值不和热噪声不同，散粒噪声的量值不取决于温度，而由流过器件的平均取决于温度，而由流过器件的平均电流决定，散粒噪声电流和电压均电流决定，散粒噪声电流和电压均方值方值 ：fqIRUfqIIDCnsDCns22因光或热激发产生载流子和载流子复合这两个随机过程，在平因光或热激发产生载流子和载流子复合这两个随机过程，在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的，但在某一衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的，但在某一瞬间载流子的产生数和复合数会使载流子浓度起伏引起电流随瞬间

6、载流子的产生数和复合数会使载流子浓度起伏引起电流随机起伏，机起伏， fqIMIng42)(414ffqIMIng产生与复合噪声产生与复合噪声噪声电流噪声电流相对低频状况相对低频状况1/f噪声噪声闪烁噪声：称闪烁噪声：称1/f 噪声或低频噪声，由元器件噪声或低频噪声，由元器件中存在局部缺陷或有微量杂质所引起的；中存在局部缺陷或有微量杂质所引起的；ffIkInf/21噪声电流噪声电流2 噪声等效处理噪声等效处理 将各种器件的噪声等效为相同形式的均将各种器件的噪声等效为相同形式的均方值（或有效值）电流源的形式方值（或有效值）电流源的形式 a 单一电阻单一电阻b 电阻串联电阻串联c 电阻并联电阻并联综

7、合噪声电流：综合噪声电流：RfkTInT42a 电阻电路电阻电路 RfkTIT4R等效噪声带宽等效噪声带宽:b 并联并联RC电路：电路： dffRkTUffT21)(42fkTRUT 42纯电阻：2)2(1)(fRCRfRRC并联：RCkTRUT4142RCfe41eTfkTRU42并联并联RC电路对噪声的影响相当于使电路对噪声的影响相当于使电阻热噪声的频谱分布是由白噪声电阻热噪声的频谱分布是由白噪声变窄为等效噪声带宽变窄为等效噪声带宽fe等效噪声带宽 确定器件和电路的确定器件和电路的固有噪声电平固有噪声电平 计算计算信噪比信噪比 估算出为保证可靠检测所必须的估算出为保证可靠检测所必须的最小输

8、入光功率值最小输入光功率值3 典型光电检测电路的噪声估算典型光电检测电路的噪声估算 检测电路噪声估算的目的：检测电路噪声估算的目的：噪声估算的具体步骤是噪声估算的具体步骤是： 首先首先确定确定检测器件和前级电路的检测器件和前级电路的噪声源噪声源 其次其次计算计算等效电阻和复合阻抗下的等效电阻和复合阻抗下的噪声等效带宽，画出噪声等效带宽，画出检测检测电路的噪声电路的噪声等效电路等效电路 最后根据噪声等效电路最后根据噪声等效电路计算计算噪声输出噪声输出电压、信噪比和最小输电压、信噪比和最小输入光功率值入光功率值例例1：P332 ,光电倍增管的阴极积分灵敏度光电倍增管的阴极积分灵敏度SK=30A/l

9、m，阳极积分灵敏度阳极积分灵敏度SA=10A/lm，阳极暗电流，阳极暗电流Id=4nA，输出电路，输出电路的负载电阻为的负载电阻为R=105，并和电容，并和电容C=0.1F并联，阴极面积为并联，阴极面积为80mm2，阳极输出的信号电流为，阳极输出的信号电流为10A.fqMIIAnA25 .2取光电倍增管光电倍增管 噪声源噪声源光电阴极和倍增极的散粒噪声光电阴极和倍增极的散粒噪声 负载电阻负载电阻R上的热噪声上的热噪声 eAnAfqMII2RfkTIenr4nrnAII主要噪声主要噪声噪声等效带宽噪声等效带宽噪声噪声等效电路等效电路电路带宽 RCf41e 等效噪声带宽 RCf21光电倍增管光电倍

10、增管 阳极输出噪声电流为：阳极输出噪声电流为： RIUnAneAnAfqMII2阳极输出总信噪比阳极输出总信噪比: nAAAIISNR 最小输入光功率值最小输入光功率值:AdAndSfKqMISI2minNEPfAD*5 .2取负载噪声电压为：负载噪声电压为： 性能上：性能上：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽低噪声、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和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力 结构上：结构上：紧凑、靠近光电探测器件，良好的接地和屏蔽紧凑、靠近光电探测器件，良好的接地和屏蔽10.2.2光电信号前置放大器的设计光电信号前置放大器的设计 前

11、置放大器的任务：前置放大器的任务： 放大光电探测器输出的微弱电信号放大光电探测器输出的微弱电信号 匹配后置处理电路与探测器件之间的阻抗匹配后置处理电路与探测器件之间的阻抗 对前置放大器的要求：对前置放大器的要求： 1.放大器放大器EnIn噪声模型噪声模型 EnIn噪声模型噪声模型将放大器内部的所有噪声源都折算到输入端，将放大器内部的所有噪声源都折算到输入端，即用阻抗为零的噪声电压发生器即用阻抗为零的噪声电压发生器En和输入端串联，用阻抗为无限和输入端串联，用阻抗为无限大的噪声电流发生器大的噪声电流发生器In和输入端并联，而放大器内部成为一个无和输入端并联，而放大器内部成为一个无噪声的理想放大电

12、路。噪声的理想放大电路。2.等效输入噪声：等效输入噪声： niEnsESVnEsRnIsoVnoEnnnsIEE,nsESVnEsRnIsoVnoE2.等效输入噪声：等效输入噪声： ssotVVA 系统的增益：sisoVVVA 放大器的增益：siiVtRZZAA二者关系：iE放大器输入端噪声电压：放大器输入端噪声电压：222222222)()()(iissnisinnsiZZRRIZRZEEE222iVnoEAEtnoniAEE2.等效输入噪声：等效输入噪声： nsESVnEsRnIsoVnoEniEfkTREsns 423.EnIn的测量的测量202nRnisEERs很小时：当222snRn

13、isRIERs很大很大时：当En的测量方法：的测量方法：在放大器输入端短路，即信号源内阻在放大器输入端短路，即信号源内阻Rs0 的条的条件下测量总输出噪声，即为件下测量总输出噪声，即为AvEn，然后除以放大器增益，然后除以放大器增益Av，就，就得到得到En。In的测量方法：的测量方法：采用大的（信号）源电阻（或输入端开路）条件下，采用大的（信号）源电阻（或输入端开路）条件下，测得放大器输出噪声电压，除以系统增益测得放大器输出噪声电压，除以系统增益Av和和Rs，就得到，就得到In。 4.噪声系数噪声系数:nosonisiPPPPniPnoPAP22nsniniPnoniPnoEEPAPPAPFN

14、F=10lgF （dB）用分贝表示：用分贝表示： 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的程度，是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。低噪声设计的目的既是衡量放大器噪声性能好坏的重要指标。低噪声设计的目的既是使使NF尽可能的小。尽可能的小。 fkTRIfkTREsnsn441225. 噪声匹配噪声匹配fkTRIfkTREF441s2ns2n0sRFnnsoptsIERRfkTIEF 21nnmin当探测器的内阻当探测器的内阻等于放大器的最佳源电阻值等于放大器的最佳源电阻值时，放大器时，放大器对检测电路附加的对检测电路附加的噪声最小噪声最小

15、，称为探测器与放大器之间，称为探测器与放大器之间达到了达到了噪声匹配噪声匹配。 最佳源电阻最佳源电阻n级级联放大电路级级联放大电路噪声系数：噪声系数：1nP2P1Pn2P1P31P21111AAAFAAFAFFF 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例例1：光电倍增管和雪崩光电二极管：光电倍增管和雪崩光电二极管 高内增益高内增益 例例2：光电二极管：光电二极管 无内增益无内增益 最佳源电阻最佳源电阻 噪声系数最小噪声系数最小6低噪声设计低噪声设计有源器件的选取有源器件的选取常用器件最佳源电阻分布示意图常用器件最佳源电阻分布示意图Rs较小时：较小时：100-1M

16、，如，如光电池，选用由晶体管或集成光电池，选用由晶体管或集成运放构成的低噪声放大电路。运放构成的低噪声放大电路。Rs较大时：较大时：1K-10M，选用由场效应管构成的低噪声放大电路。，选用由场效应管构成的低噪声放大电路。Rs再大时：再大时：1M-10G，选用由，选用由MOS场效应管构成的低噪声放场效应管构成的低噪声放大电路。大电路。采用输入变压器耦合：采用输入变压器耦合：根据变压器的变化关系，次级上的信噪比根据变压器的变化关系，次级上的信噪比没有变化，而等效源电阻却增为没有变化，而等效源电阻却增为n2RS，适当选择，适当选择n，可实现噪，可实现噪声匹配。适用于源电阻较小时。声匹配。适用于源电阻较小时。ssoptRnR21）噪声匹配的方法）噪声匹配的方法输入放大器并联输入放大器并联nRRsoptsopt适用于源电阻较小时或放大器的适用于源电阻较小时或放大器的最佳源电阻较大时。最佳源电阻较大时。 与探测器串联的阻抗元件，应满足：与探测器串联的阻抗元件，应满足： 与探测器并联的阻抗元件，应满足：与探测器并联的阻抗元件，应满足：无源器件的选取无源器件的选取电阻：选用噪声较小的金属膜