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1、1检测系统的静态特性检测系统的静态特性n 2.1.2 静态特性指标静态特性指标 线性度线性度 回程误差回程误差 分辨力分辨力 重复性重复性 灵敏度灵敏度 精确度精确度2检测系统的静态特性检测系统的静态特性(1) 线性度线性度:检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度相对误差相对误差%100.maxSFLyLemaxL.SFy输出值与理想直线的最大偏差值输出值与理想直线的最大偏差值理论满量程输出值理论满量程输出值理想直线：理想直线：亦称非线性误差亦称非线性误差定义定义:( non-linearity )表达表达:xy拟合直线拟合直线一般不存在或很难获得准确

2、结果一般不存在或很难获得准确结果利用测量数据，通过计算获得利用测量数据，通过计算获得3检测系统的静态特性检测系统的静态特性(3) 分辨力分辨力:能够检测出的被测量的最小变化量能够检测出的被测量的最小变化量2、分辨率、分辨率 - 是相对数值：是相对数值：定义定义：1、分辨力、分辨力 - 是绝对数值，如是绝对数值，如 0.01mm，0.1g，10ms，说明说明：表征测量系统的分辨能力表征测量系统的分辨能力 ( resolution )能检测的最小被测量的变能检测的最小被测量的变化量相对于化量相对于 满量程的百分满量程的百分数，如：数，如： 0.1%, 0.02%3、閾值、閾值 - 在系统输入零点附

3、近的分辨力在系统输入零点附近的分辨力4检测系统的静态特性检测系统的静态特性(5) 灵敏度灵敏度测量系统在稳态下输出量的增量与输入量的增量之比测量系统在稳态下输出量的增量与输入量的增量之比斜率：斜率：xyK/a. 线性检测系统：灵敏度为常数；线性检测系统：灵敏度为常数；例：间隙式平板电容传感器例：间隙式平板电容传感器定义定义：b. 非线性检测系统：灵敏度为变数非线性检测系统：灵敏度为变数说明说明：bxaybK )(xfy dxxdfK)(灵敏度系数灵敏度系数)( sensitivity )灵敏度灵敏度dSC2dSdCK双曲线、非线性双曲线、非线性5检测系统的静态特性检测系统的静态特性(6) 精确

4、度精确度(精度精度):在实际测量中在实际测量中,用精密度用精密度, 正确度正确度和精确度三个指标反映仪和精确度三个指标反映仪器的精度器的精度精密度精密度 ：正确度正确度说明测量结果偏离真值大小的程度说明测量结果偏离真值大小的程度. 越小越小,表明测量值与真值符合程度越好表明测量值与真值符合程度越好,对应的测量系统误对应的测量系统误差越小差越小.精密度精密度说明测量结果的分散程度说明测量结果的分散程度. 由同一测量者采用同一由同一测量者采用同一传感器和测量仪表对同一稳定的被测量传感器和测量仪表对同一稳定的被测量,在相当短的时间内在相当短的时间内连续重复进行多次测量连续重复进行多次测量,即等精度测

5、量即等精度测量,其测量结果的分散程其测量结果的分散程度为度为. 越小越小,表明测量的随机误差越小表明测量的随机误差越小,测量越精密测量越精密.正确度正确度 ：6检测系统的静态特性检测系统的静态检测系统的静态特性检测系统的静态特性特性(6) 精确度精确度(精度精度):精确度精确度：反映测量结果的优良程度反映测量结果的优良程度. 通常精确度用测量误差的通常精确度用测量误差的相对值表示相对值表示.在工业实际中在工业实际中,为了表示测量结果的可靠程度为了表示测量结果的可靠程度, 引入引入了精确度了精确度(精度精度)等级规定等级规定, 用用A表示表示. A是用一系列标是用一系列标准百分数值准百分数值(0

6、.001, 0.005, 0.02, 0.05, .1.5, 2.5, 4.0, )进行分档的进行分档的.A值是指仪器在规定条件下值是指仪器在规定条件下, 其允许的最大绝对误差其允许的最大绝对误差值值A与满量程输出与满量程输出YF.S之比的百分数之比的百分数, 即（最大引即（最大引用误差）用误差）:精确度等级精确度等级：%100SFYAA78光电效应光电效应当光照射到物体上使物体发射电子当光照射到物体上使物体发射电子,或导电率发或导电率发生变化生变化,或产生光电动势等或产生光电动势等,这种因光照而引起这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应物体电学特性的改变统称为光电效应.光电效应可归

7、纳为两大类光电效应可归纳为两大类(也有分为三类的也有分为三类的):(1) 物质受到光照后向外发射电子的现象称为物质受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应外光电效应. 这种效应多发生于金属和金属氧这种效应多发生于金属和金属氧化物化物. 光电管，光电倍增管。光电管，光电倍增管。(2)物质受到光照后所产生的光电子只在物质内物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部的现象称为内光电部运动而不会逸出物质外部的现象称为内光电效应效应.这种效应多发生于半导体内这种效应多发生于半导体内. 内光电效应内光电效应又可分为光电导效应（光电阻）和光生伏特效又可分为光电导效应（光电阻）和光生伏特

8、效应（光电池）应（光电池）.9光电效应光电效应n 3.2.1 光电导效应光电导效应大多数硫化物大多数硫化物,氧化物氧化物,卤化物都可发生光电导效卤化物都可发生光电导效应应,特别是特别是:CdS, PbS有显著的光电导效应有显著的光电导效应. CdS-CdSe固熔体也有显著的光电导效应固熔体也有显著的光电导效应.1 光电导体的灵敏度光电导体的灵敏度通常指在一定条件下通常指在一定条件下, 单位照度所引起的光电流单位照度所引起的光电流.2 光电导的弛豫光电导的弛豫光照射到样品后光照射到样品后,光电导逐渐增加光电导逐渐增加,最后达到定态最后达到定态.光照停止光照停止,光电导在一段时间内逐渐消失光电导在

9、一段时间内逐渐消失. 这种弛这种弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢.一、响应特性一、响应特性响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。n响应度是随入射光波长变化而变化的n响应度分电压响应率和电流响应率n电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比n电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比ioVPVSioIPIS光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度()()()oViVSP()()()oI

10、iISP响应时间：响应时间是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数。n上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。n下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。n光电探测器响应率与入射调制频率的关系 为调制频率为f 时的响应率 为调制频率为零时的响应率为时间常数（等于RC） 0S2/120)2(1 )(fSfS)( fS频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。0002 1/21122()0.7071(1) 2f

11、RCSSS fSc：上限截止频率：上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽fc返回返回1、热噪声n或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。n导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。n热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声光电探测器常见的噪声4、1/f噪声n或称闪烁噪声或低频噪声。这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在引起的。n噪声的功率近似与频率成反比n多数器件的1/f噪声在2

12、00300Hz以上已衰减到可忽略不计。、信噪比n信噪比是判定噪声大小的参数。n是负载电阻上信号功率与噪声功率之比n若用分贝（dB）表示，为2222NSLNLSNSIIRIRIPPNSNSNSIIIINSlg20lg1022、噪声等效功率(NEP)n定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。n这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）n一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。nNEP越小，噪声越小，器件的性能越好。()eNEPWSNR 噪声等效功率是一个可测量的量。 设入射辐射的功率为P，测得的

13、输出电压为U0 然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN 则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为20()NPNEPWUU一、一、光电管光电管 光电管是利用外光电效应制成的光电元件，其外形和结构如图4.3.1所示，半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为(12)mv2。根据能量守恒定律有 (4.2)式中，

14、m为电子质量；v为电子逸出的初速度。A-hm212AKIU0RLE图图4.3.1 光电管结构示意图光电管结构示意图 图图4.3.2 光电管测量电路图光电管测量电路图 由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hA。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长K为 (4.3)式中，c为光速；A为逸出功。 光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图4.3.2所示。在入射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电

15、子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图4.3.2所示的电路中，电流I和电阻RL上的电压降U0就和光强成函数关系，从而实现光电转换。 阴极材料不同的光电管，具有不同的红限，因此适用于不同的光谱范围。此外，即使入射光的频率大于红限，并保持其强度不变，但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意的灵敏度。 AhcK一、光敏电阻n光敏电阻是光电导型器件。n光敏电阻材料：

16、主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。n特点：n光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；n偏置电压低，工作电流大；n动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；n光电导增益大，灵敏度高；n无极性，使用方便；n在强光照射下，光电线性度较差n光电驰豫时间较长，频率特性较差。光敏光敏电阻电阻 (LDR) (LDR) 和它的和它的符号符号： 符号符号1. 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理n光敏电阻结构光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接

17、有电极引线，封装在带缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。（有窗口的金属或塑料外壳内。（如图如图）n工作机理工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。入射光入射光返回本征型和杂质型光敏电阻n本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。n杂质型光敏电阻：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能时，

18、将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。n本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴施主光电导与光电流n光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。n光电流：亮电流和暗电流之差；I光 = IL - Idn光电导：亮电流和暗电流之差；g = gL - gd 光In光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。n光电流与光照强度

19、电阻结构的关系。n光电特性：光电流与入射光照度的关系：(1)弱光时，弱光时，=1，光电流与照度成线性关系，光电流与照度成线性关系(2)强光时，强光时， =0.5，光电流与照度成抛物线，光电流与照度成抛物线光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）改善） ：外加电压，欧姆接触为电压指数光电导，照度指数光USUESIgg) 1(:) 15 . 0(:光敏电阻的光

20、电特性在弱光照下，光电流与E具有良好的线性关系在强光照下则为非线性关系其他光敏电阻也有类似的性质。伏安特性伏安特性n在一定的光照下，光敏电阻的光电流与在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系所加的电压关系n光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。定律，其伏安特性曲线为直线。n不同光照度对应不同直线不同光照度对应不同直线受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能 超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线由此可确定光敏电阻正常工作电压。n光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有率低。只

21、有PbSPbS光敏电阻的频率特性稍好光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。些，可工作到几千赫。频率特性n光敏电阻的时间响应特性较差n材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：n停止光照，光生载流子浓度的变化为00(1 exp()tppp 为稳态光生载流子浓度0exp()tpp 响应时间光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。变化也会影响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰例如：硫化铅

22、光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。值将向短波方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措施尤其是红外探测器要采取制冷措施温度特性光敏电阻参数n使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）.n光敏面：1-3 mmn工作温度：-40 80 oCn温度系数： 1n极限电压：10 300Vn耗散功率：1。F越大越大放大器本身的噪声电平越高放大器本身的噪声电平越高, 也就是说放大器引入的也就是说放大器引入的噪声比一个源电阻噪声比一个源电阻RS引起的热噪声大得多。另外引起的热噪声大得多。另外, 在在信号源电阻信号源电阻Rs

23、 的噪声比较大时的噪声比较大时, 尽管放大器噪声并不尽管放大器噪声并不一定很小一定很小, 但只要它与源电阻噪声比值较小但只要它与源电阻噪声比值较小, 也可有也可有F1,这说明这说明,对于噪声较大的光电检测器件来说对于噪声较大的光电检测器件来说, 放大放大器的制作就变得十分容易器的制作就变得十分容易, 尽管放大器噪声尽管放大器噪声En和和In并不并不太低太低,仍可使系统的噪声系数仍可使系统的噪声系数F接近于接近于1。 其次还可以其次还可以看出噪声系数看出噪声系数F与源电阻与源电阻RS, 带宽带宽f有关。有关。噪声系数习惯上用分贝噪声系数习惯上用分贝(dB)表示。即表示。即 NF=l0lgF理想的

24、无噪声放大器理想的无噪声放大器NF=0dB,实际的实际的NF总是大于零的总是大于零的,低噪声设计的目的就是要使低噪声设计的目的就是要使NF值尽可能的小。值尽可能的小。94(三三) 最佳源电阻和最小噪声系数最佳源电阻和最小噪声系数由式由式(777)可知可知,当源电阻当源电阻RS很小时很小时,第二项很大第二项很大,第三项很小第三项很小,因而因而F很大很大.当源电阻很大时当源电阻很大时,第二项很小第二项很小,第三项很大第三项很大,因而因而F也很大也很大.当源电当源电阻取中间某一值时阻取中间某一值时,即即 满足满足 的条件下的条件下, F有最小值有最小值, 相应的相应的Rs称为称为最佳源电阻最佳源电阻

25、. 此时此时 信号源电阻等于最佳源电阻，信号源电阻等于最佳源电阻，噪声系数为最小的情况噪声系数为最小的情况,称做噪声匹配。称做噪声匹配。95(四四) 级联放大器的噪声系数和等效输入噪声级联放大器的噪声系数和等效输入噪声 一个实际的放大器常常是由许多单级电路组合起来的，这种级一个实际的放大器常常是由许多单级电路组合起来的，这种级联放大器能够保证增益、频响和阻抗特性等指标满足要求。衡量级联放大器能够保证增益、频响和阻抗特性等指标满足要求。衡量级联放大器噪声性能的好坏，仍然采用噪声系数或等效输入噪声的概联放大器噪声性能的好坏，仍然采用噪声系数或等效输入噪声的概念。念。 公式推导表明，如果级联放大器的

26、第一功率增益或电压增益足公式推导表明，如果级联放大器的第一功率增益或电压增益足够大，那么总的噪声系数够大，那么总的噪声系数F便主要由第一级的噪声系数便主要由第一级的噪声系数F1决定。因此，决定。因此，级联放大器的设计，要尽量提高第一级的功率增益或电压增益，尽级联放大器的设计，要尽量提高第一级的功率增益或电压增益，尽量压低第一级的噪声。量压低第一级的噪声。 级联放大器的噪声系数121213121111MMKKKFKKFKFFF弗里斯公式Friis:注意：各级噪声系数对总噪声系数的影响是不同的，越是前级影响越大。如果K1足够大，系统总的噪声系数F主要取决于第一级的噪声系数 F1 。718. 111

27、BACABAKKFKFFF900. 111CABACAKKFKFFFdB10AKdB12BKdB20CK倍。倍，倍，100849.1510CBAKKK6 . 1AF0 . 2BF0 . 4CF放大器 功率增益 A B C1F噪声系数例：用三个放大器串级联接来放大微小信号，其功率增 益和噪声系数如下表：如何联接才能使总的噪声系数最小？解：三个放大器中F最小的放大器A应该用作第一级。两种联接排列：(a) A、B、C 或 (b) A、C、B增益换算为倍数：（a） A、B、C排列（b） A、C、B排列981、根据低噪声前放的、根据低噪声前放的NF（db）值，计算等效输入噪声）值，计算等效输入噪声Eni

28、 理想的无噪声放大器的理想的无噪声放大器的F=1，即，即NF=0，一个实际的质量，一个实际的质量好的低噪声前置放大器其值可以做到，甚好的低噪声前置放大器其值可以做到，甚至更低。生产厂商出售低噪声前放时，都负有相关的技术资至更低。生产厂商出售低噪声前放时，都负有相关的技术资料，其中就包括提供各种测试条件下的值。料，其中就包括提供各种测试条件下的值。作为一个系统设计者，可以充分利用这些技术资料了解作为一个系统设计者，可以充分利用这些技术资料了解其性能。可以根据值来计算低噪声前置放大器的等效输入其性能。可以根据值来计算低噪声前置放大器的等效输入噪声。根据前面讨论的结论，可得到噪声。根据前面讨论的结论

29、，可得到二、低噪声前置放大器的选用二、低噪声前置放大器的选用fkTREEFsnin4E22nsi2（）（）fkTREFFsni4lg10lg10N2（）（）99如果已知前置放大器的值，信号源源电阻如果已知前置放大器的值，信号源源电阻以及带宽以及带宽（在其中心频率附近），则放大器的等（在其中心频率附近），则放大器的等效输入噪声即可求出。效输入噪声即可求出。 、 根据和来选用前放根据和来选用前放知道了放大器等效输入噪声的大小，将知道了放大器等效输入噪声的大小，将和放大器输入端信号进行比较，就可判定这个放大和放大器输入端信号进行比较，就可判定这个放大器是否符合要求，一般是根据系统对（）器是否符合要求

30、，一般是根据系统对（）的比值的要求来选定放大器的值。提请注意的是，的比值的要求来选定放大器的值。提请注意的是，值和的大小都是和源电阻及带宽值和的大小都是和源电阻及带宽密切相关密切相关的。其中带宽的。其中带宽是由系统的需要所决定的。是由系统的需要所决定的。若其他条件不变，采取压缩带宽的措施，对克服噪若其他条件不变，采取压缩带宽的措施，对克服噪声是有利的，但可能损失信息量。声是有利的，但可能损失信息量。（）（）fkTRsNF410E20ni解之，得：解之，得：100由式（）知，由式（）知，NF的表达式为的表达式为、图的应用、图的应用222lg10-4lg10NnsnisniEEfkTREF 可选定

31、不同的可选定不同的Rs和和f测出测出Eni，就可以得到一系列的，就可以得到一系列的值。值。 生产厂家在测量中通常的做法是在放大器后面接一个中心生产厂家在测量中通常的做法是在放大器后面接一个中心频率为频率为f0可调的带通滤波器，采用噪声发生器法，或正弦波可调的带通滤波器，采用噪声发生器法，或正弦波法，测出不同法，测出不同Rs和和f0条件下的一系列条件下的一系列NF值，将他们都表在值，将他们都表在坐标图上。坐标图以坐标图上。坐标图以f0为横坐标，为横坐标，Rs为纵坐标，且均已对数为纵坐标，且均已对数为标度。将所有的为标度。将所有的NF值相等的点连起来，就得到一副值相等的点连起来，就得到一副NF等值

32、等值，称为放大器的噪声因子图或，称为放大器的噪声因子图或NF等值图。等值图。 放大器的噪声系数(另一角度定义)2ni2sinisiPPVVSNRi输入噪声功率输入信号功率2no2sonoso0VVPPSNR输出噪声功率输出信号功率nosonisi0PPPPSNRSNRFi 噪声系数(Noise Factor)和噪声因数(Noise Figure)1输入端信噪比2输出端信噪比3放大器的噪声系数F（1） 表示信噪比恶化程度（理想放大器，噪声无恶化，即：理想放大器，噪声无恶化，即：F=1）niPnonisisononosonisiPKPPPPPPPPPFsisoPPKPnoPniPPKgFNF110

33、dB（2）输出端噪声总功率和输入端噪声功率在输出端的比值 (同式（同式（7-75）定义）定义)式中 ： 放大器的功率增益； 输出噪声总功率； 放大器无噪声时的输出噪声功率。4 噪声因数NF（Noise Figure）：5 噪声系数特点：随放大器的偏置电流、工作频率、温度及信号源内阻而变化。ni0sinisisonoPSNRPPPPPFni0siPSNRFPni0siniPSNRFPEV566. 0f40niiSNRFkTREEs6 放大器可检测的最小信号例：放大器的输入噪声只有源电阻 的热噪声，温度为17C，放大器等效噪声带宽为 噪声系数F=2，要求 试求系统可检测的最小信号 。 k1sR，k

34、Hz1f ,100SNRiE解：1041、设计低噪声前置放大器的途径和方法、设计低噪声前置放大器的途径和方法一般设计低噪声前置放大器的方法可有如下两种：一般设计低噪声前置放大器的方法可有如下两种： （）先按普通放大器设计，即只考虑增益，带宽，（）先按普通放大器设计，即只考虑增益，带宽，输入输出阻抗等指标，然后在设计过程中校核噪声是否输入输出阻抗等指标，然后在设计过程中校核噪声是否符合指标。若不符合，修改某些参数重新计算直到符合符合指标。若不符合，修改某些参数重新计算直到符合为止。这种方法只适合于对噪声要求不高的场合，光电为止。这种方法只适合于对噪声要求不高的场合，光电检测电路的前置放大器的设计

35、一般采取下一种方法。检测电路的前置放大器的设计一般采取下一种方法。（）与上一种方法相反，首先考虑的是噪声指标要满（）与上一种方法相反，首先考虑的是噪声指标要满足要求，其次才是增益，带宽和阻抗。满足了噪声指标足要求，其次才是增益，带宽和阻抗。满足了噪声指标不一定能满足增益，带宽和阻抗的要求，这时可采用不不一定能满足增益，带宽和阻抗的要求，这时可采用不同的组态或加负反馈或增减放大器的级数以进行调节，同的组态或加负反馈或增减放大器的级数以进行调节，使之符合要求。使之符合要求。三、低噪声前置放大器的设计原则与方法三、低噪声前置放大器的设计原则与方法105为了获得足够增益，一般采用多级放大器，但级数为了

36、获得足够增益，一般采用多级放大器，但级数多了又会使得通带变窄，可以用负反馈或用组合电路来多了又会使得通带变窄，可以用负反馈或用组合电路来加宽通频带，不仅如此，负反馈还可以稳定电路增益，加宽通频带，不仅如此，负反馈还可以稳定电路增益，改变输入输出阻抗以减小失真。但要注意引入负反馈后，改变输入输出阻抗以减小失真。但要注意引入负反馈后，又引入了新的噪声源，有可能使放大器的性能变坏。如又引入了新的噪声源，有可能使放大器的性能变坏。如果按一定的原则引负反馈，则可使新引入的噪声减到最果按一定的原则引负反馈，则可使新引入的噪声减到最小，以致可以忽略不计。小，以致可以忽略不计。 、 按噪声要求设计的步骤及原则

37、按噪声要求设计的步骤及原则（）首先根据噪声要求设计输入级。根据相关指标确（）首先根据噪声要求设计输入级。根据相关指标确定输入级电路形式。对有源器件需确定直流工作点，并定输入级电路形式。对有源器件需确定直流工作点，并进行噪声匹配的估算。进行噪声匹配的估算。一般经验是：当源阻抗是低阻抗时，可采用共基一般经验是：当源阻抗是低阻抗时，可采用共基共发电路；当源阻抗是高阻抗时，可采用共发共集电共发电路；当源阻抗是高阻抗时，可采用共发共集电路；如果源电阻相当高时，则应使用负反馈电路，或使路；如果源电阻相当高时，则应使用负反馈电路，或使用场效应管来作输入级。用场效应管来作输入级。106（）晶体管输入级，可以通

38、过调整集电极电流来获得（）晶体管输入级，可以通过调整集电极电流来获得噪声匹配（当然只能在一定范围内）。噪声匹配（当然只能在一定范围内）。（）第一级功率增益要大，根据这个要求，第一级尽（）第一级功率增益要大，根据这个要求，第一级尽量选用共发射极电路。量选用共发射极电路。（）根据其他指标，如总增益，频率响应，动态范围（）根据其他指标，如总增益，频率响应，动态范围等技术指标综合考虑后的设计。等技术指标综合考虑后的设计。（）集电极电流对噪声等参数的影响（如下表）。（）集电极电流对噪声等参数的影响（如下表）。表表.集电极电流对噪声等参数的影响集电极电流对噪声等参数的影响集电极电流集电极电流大小大小小大小

39、大小小小大小大大小大小大大107 要使前置放大器获得最佳的噪声性能，就必须满足噪要使前置放大器获得最佳的噪声性能，就必须满足噪声的匹配条件，及要求信号源阻抗等于最佳源阻抗，此声的匹配条件，及要求信号源阻抗等于最佳源阻抗，此时放大器的噪声系数才能最小。低噪声前放的设计，关时放大器的噪声系数才能最小。低噪声前放的设计，关键是第一级即输入级的设计。为了获得最小噪声系数，键是第一级即输入级的设计。为了获得最小噪声系数，必须使得：。光电检测必须使得：。光电检测器件虽然有一定的选择余地，但一旦选定后，也就器件虽然有一定的选择余地，但一旦选定后，也就确定了。这时，只有选择前置放大器，使其确定了。这时，只有选

40、择前置放大器，使其，并兼顾其他指标。所谓噪声匹配就是用哪几种，并兼顾其他指标。所谓噪声匹配就是用哪几种方法可以调节，使其可以趋近，现归纳方法可以调节，使其可以趋近，现归纳如下：如下：（）调整晶体三极管工作点（）调整晶体三极管工作点（）的方法）的方法、噪声匹配方法、噪声匹配方法sECEesoRIIIrR40026. 0000108（）（）采用输人变压器实现噪声匹配采用输人变压器实现噪声匹配 这种方法这种方法,主要用来解决信号源电阻主要用来解决信号源电阻Rs小于最佳源电阻小于最佳源电阻Rsopt时的噪声匹配问题时的噪声匹配问题,采用热电偶检测器件时就是这样。采用热电偶检测器件时就是这样。在这种情况

41、下在这种情况下,如变压器初次级匝数比为如变压器初次级匝数比为1:n,则初级反射到次则初级反射到次级电路的信号电压、源噪声、源电阻分别为级电路的信号电压、源噪声、源电阻分别为nVs、nEns、 ,在理想变压器情况下在理想变压器情况下,如图如图724所示所示,经变压器变换后经变压器变换后,次级次级上的信噪比没有变化上的信噪比没有变化,仍为仍为 ,然而这时的等效源电阻却增然而这时的等效源电阻却增为为 ,通过适当选择升压比通过适当选择升压比n,可以使得可以使得 ,从而实现了从而实现了噪声匹配。噪声匹配。 100k100ssoNNsoRRnieR5 .122162541min222kTieFkTRRie

42、FNNssNN505 .12625PSNIRHzpA1 . 0HznV10OP07kHz1NNief，的时， 10sRkHz1f例：信号源输出电阻 ，工作频率 。选用的前置放大器为OP07。试求匹配变压器的圈数比n和能够达到的信噪改善比SNIR。解： （3）多个输入运放并联法多个运放并联减少最佳源电阻111（）输入放大器并联法（）输入放大器并联法 可以证明，在满足可以证明，在满足Zi远远大于远远大于En/In的条件下，的条件下，n个并联个并联放大器的最佳源电阻放大器的最佳源电阻nRsoptsoptR因而可以适当选择因而可以适当选择n，使，使R=Rs，实现噪声匹配。此时，实现噪声匹配。此时，n个

43、并联放大器的最小噪声系数为：个并联放大器的最小噪声系数为：minnmin2IE1FfkTFn（7）（6）1124、元器件的挑选、元器件的挑选 （1）有源器件的选取）有源器件的选取 对于信号源电阻较小的情况对于信号源电阻较小的情况(如热电偶、光电池等如热电偶、光电池等)，一，一般选用晶体管构成的低噪声前置放大器，因为晶体管的电般选用晶体管构成的低噪声前置放大器，因为晶体管的电流噪声流噪声In较大较大,具有较小的最佳源电阻具有较小的最佳源电阻(1001M)。对于。对于源电阻较大的情况源电阻较大的情况 (如热电阻如热电阻)，则多采用场效应管，因为，则多采用场效应管，因为它有较小的电流噪声它有较小的电

44、流噪声In和较大的最佳源电阻和较大的最佳源电阻(1k10M)。运算放大器有和晶体管大致相同的最佳源电阻值，而运算放大器有和晶体管大致相同的最佳源电阻值，而MOS场效应管的最佳源电阻可达场效应管的最佳源电阻可达1M10G. 有源器件的最佳源电阻是频率的函数，上述给出的器有源器件的最佳源电阻是频率的函数，上述给出的器件最佳源电阻范围是指较低频率时的情况，随着频率的升件最佳源电阻范围是指较低频率时的情况，随着频率的升高，场效应管的高，场效应管的Rsopt迅速减小，一般在几十兆赫兹时，结迅速减小，一般在几十兆赫兹时，结型场效应管的最佳源电阻仅几千欧，所以也仅适于源电阻型场效应管的最佳源电阻仅几千欧，所

45、以也仅适于源电阻较小的情况。较小的情况。PNP晶体管，基极电阻小，电压噪声小，最晶体管，基极电阻小，电压噪声小，最佳源电阻较小，适于源电阻较小的情况，而佳源电阻较小，适于源电阻较小的情况，而NPN晶体管晶体管Rsopt较大较大,因此适于源电阻较大的情况。因此适于源电阻较大的情况。有源器件的选择 1从源电阻考虑2从工作频率考虑114（2）无源器件的选取）无源器件的选取 无源器件包括电阻、电容、耦合变压器等。低噪无源器件包括电阻、电容、耦合变压器等。低噪声电路中，一般都选用金属膜电阻器和线绕电阻器，声电路中，一般都选用金属膜电阻器和线绕电阻器，而不使用碳质与碳膜电阻，因为碳质或碳膜电阻的噪而不使用

46、碳质与碳膜电阻，因为碳质或碳膜电阻的噪声指数（电阻两端每伏直流压降在声指数（电阻两端每伏直流压降在10倍频程内产生的倍频程内产生的均方根噪声微伏值）一般为十几到几十微伏均方根噪声微伏值）一般为十几到几十微伏/伏以上，伏以上，而金属膜电阻器则可做到小于而金属膜电阻器则可做到小于0.21 左右。电容左右。电容器的选择，主要是选用损耗角小的云母电容和瓷介电器的选择，主要是选用损耗角小的云母电容和瓷介电容来降低噪声，在大容量的电容中，则选用漏电流很容来降低噪声，在大容量的电容中，则选用漏电流很小的钽电解电容。耦合变压器的构成，主要考虑在外小的钽电解电容。耦合变压器的构成，主要考虑在外加磁场作用下，由于

47、磁化的不连续性而表现出的磁起加磁场作用下，由于磁化的不连续性而表现出的磁起伏噪声和外界干扰引入的噪声，因此要有好的磁屏蔽伏噪声和外界干扰引入的噪声，因此要有好的磁屏蔽和静电屏蔽。和静电屏蔽。5、 负负反馈与放大器噪声ffofffsf1eeeRReKeeeRieiRReKeeestttotnionnnon，输出噪声电压为为单独作用时，放大倍数电压为单独作用时，输出噪声电压为单独作用时，输出噪声电压为单独作用时，输出噪声（1）电压并联负反馈放大器2fo222f222fo2222noEEKRIEKEEEEEtnntoiono总f222222no2ni44RkTBRBkTRRIEKEEsssnn总总B

48、kTRRIEEssaa42222ni总222f22224saassnnRIERkTBRRIEna, 0EERs可得：令SfRRK 由等效电路得对比两式可得2s2a2af22224RIERkTBRRIEssnn2222224asafnsnIRERkTBIRE得两边除以,2sRf224RkTBIIna代入上式得将式naEE 反馈支路的引入对放大器等效输入电压噪声无影响，只是使得等效输入电流噪声增加了一项取决于反馈电 阻 的热噪声fR（2）电压串联负反馈放大器222na4pnPnaRIkTBREEII2f1f2f1fRRRRRp2222ni4psnnpspssRRIERRkTBERRR总增加到相当于

49、信号源电阻由119 6、低噪声放大器的屏蔽与接地、低噪声放大器的屏蔽与接地 理想情况下，所有彼此连接的接地点与大地间应具有理想情况下，所有彼此连接的接地点与大地间应具有零阻抗，但实际上由于两接地点间或接地点与大地间有一零阻抗，但实际上由于两接地点间或接地点与大地间有一定的阻抗，地回路中的电流，会使它们间形成一定的电位定的阻抗，地回路中的电流，会使它们间形成一定的电位差，从而形成为干扰源。这种接地点之间形成的干扰源，差，从而形成为干扰源。这种接地点之间形成的干扰源，称为差模源，无法用差动输入的前置放大器来加以克服。称为差模源，无法用差动输入的前置放大器来加以克服。解决的办法是改多点接地为单点接地

50、，如图解决的办法是改多点接地为单点接地，如图725所示，所示，这样就切断了地环流的干扰，通常称此为浮地技术。通常这样就切断了地环流的干扰，通常称此为浮地技术。通常在浮地端再用一个在浮地端再用一个1l0k的电阻或一小电容接地，以加的电阻或一小电容接地，以加强对空间电磁场的屏蔽效果。强对空间电磁场的屏蔽效果。120 为更好地消除接地干扰和空间电磁场干扰，还为更好地消除接地干扰和空间电磁场干扰，还经常采用双屏蔽技术。其中内屏蔽采用浮空方式以经常采用双屏蔽技术。其中内屏蔽采用浮空方式以消除接地干扰，外层屏蔽采用多点接地以消除电磁消除接地干扰，外层屏蔽采用多点接地以消除电磁场干扰，如图场干扰，如图726

51、。121低噪声电路对电源电路的要求是具有高的稳定度和良低噪声电路对电源电路的要求是具有高的稳定度和良好的共模干扰电压抑制能力。好的共模干扰电压抑制能力。 一般稳压电源的稳定度为一般稳压电源的稳定度为10-210-4，而低噪声，而低噪声系统要求电源稳定度为系统要求电源稳定度为10-510-6，因此必须采取，因此必须采取相应措施，提高稳压电源的稳定度。相应措施，提高稳压电源的稳定度。克服变压器共模干扰电压的办法是在初次级间采用良克服变压器共模干扰电压的办法是在初次级间采用良好的静电屏蔽和单端接地，以避免共模干扰电压形好的静电屏蔽和单端接地，以避免共模干扰电压形成循环通路。成循环通路。122 三、检

52、测器件和放大电路的连接三、检测器件和放大电路的连接 随着集成电路技术的发展，各种类型集成放大器广泛随着集成电路技术的发展，各种类型集成放大器广泛应用于光电检测中。下面以光电二极管为例，介绍三种应用于光电检测中。下面以光电二极管为例，介绍三种与与ICIC放大电路的典型连接方法。放大电路的典型连接方法。 1.1.电流放大型电流放大型 图图7-27(a)7-27(a)是电流放大型是电流放大型ICIC检测电路。光电二极管和运检测电路。光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连，运算放大器两输入算放大器的两个输入端同极性相连，运算放大器两输入端间的输入阻抗端间的输入阻抗Z Zinin是光电二极管的负载

53、电阻，可表示为是光电二极管的负载电阻，可表示为 Z Zinin=R=Rf f/ /（A+1)A+1)式中，式中，A A是放大器的开环放大倍数；是放大器的开环放大倍数；R Rf f是反馈电阻。当是反馈电阻。当A=10A=104 4。R Rf f=100k=100k时，时，Z Zinin=10=10。可以认为光电二极管。可以认为光电二极管是处于短路工作状态，能取出近于理想的短路电流。处是处于短路工作状态，能取出近于理想的短路电流。处于电流放大状态的运算放大器，其输出电压于电流放大状态的运算放大器，其输出电压U U0 0与输入短与输入短路光电流成比例，路光电流成比例，123并有并有 U0=IscRf

54、=RfS即输出信号与输入光通量成正比。此外，电流放大器因输即输出信号与输入光通量成正比。此外，电流放大器因输入阻抗低而响应速度较高并且放大器噪声较低，所以信入阻抗低而响应速度较高并且放大器噪声较低，所以信噪比提高。这些优点使其广泛应用于弱光信号的检测中。噪比提高。这些优点使其广泛应用于弱光信号的检测中。 124 2电压放大型电压放大型 图图7-27(b)是电压放大型是电压放大型IC检测电路，光电二极管检测电路，光电二极管的正端接在运算放大器的正端，运算放大器的漏电的正端接在运算放大器的正端，运算放大器的漏电流比光电流小得多，具有很高的输入阻抗。当负载流比光电流小得多，具有很高的输入阻抗。当负载

55、电阻电阻RL取取1M以上时，工作在光电池状态下的光电以上时，工作在光电池状态下的光电二极管处于接近开路状态，可以得到与开路电压成二极管处于接近开路状态，可以得到与开路电压成比例的输出信号，即比例的输出信号，即式中式中 是该电路的电压放大倍数。是该电路的电压放大倍数。125 3.阻抗变换型阻抗变换型 反向偏置光电二极管或反向偏置光电二极管或PIN光电二极管具有恒流源性质，内阻很大，光电二极管具有恒流源性质，内阻很大，且饱和光电流和输入光通量成正比且饱和光电流和输入光通量成正比 ，在有很高的负载电阻的情况下，在有很高的负载电阻的情况下可以得到较大的信号电压。但如果将这种处于反向偏置状态下的光可以得

56、到较大的信号电压。但如果将这种处于反向偏置状态下的光电二极管直接接到实际的负载电阻上，则会因阻抗的失配而削弱信电二极管直接接到实际的负载电阻上，则会因阻抗的失配而削弱信号的幅度。因此需要有阻抗变换器将高阻抗的电流源变换成低阻抗号的幅度。因此需要有阻抗变换器将高阻抗的电流源变换成低阻抗的电压源，然后再与负载相连。图的电压源，然后再与负载相连。图7-27(c)中所示的以场效应管为前中所示的以场效应管为前级的运算放大器就是这样的阻抗变换器。该电路中场效应管具有很级的运算放大器就是这样的阻抗变换器。该电路中场效应管具有很高的输入阻抗，光电流是通过反馈电阻高的输入阻抗，光电流是通过反馈电阻Rf形成压降的

57、。电路的输出形成压降的。电路的输出电压电压U0为为 （7-81）即即U0与输入光通量成正比。当实际的负载电阻与输入光通量成正比。当实际的负载电阻RL与放大器连接时，由与放大器连接时，由于放大器输出阻抗于放大器输出阻抗R0较小，较小，RLR0，则负载功率则负载功率P0为：为： 126另一方面，由式另一方面，由式(7 -12)计算光电二极管直接与负载电阻相连计算光电二极管直接与负载电阻相连时负载上的功率时负载上的功率 比较两种情况可见，比较两种情况可见，采用阻抗变换器可以使功率输出提高采用阻抗变换器可以使功率输出提高(Rf/RL)2倍。例如，倍。例如，当当RL=1M，Rf=10M时，功率提高时，功

58、率提高100倍。这种电路的时倍。这种电路的时间特性较差，但用在信号带宽没有特殊要求的缓变光信间特性较差，但用在信号带宽没有特殊要求的缓变光信号检测中，可以得到很高的功率放大倍数。此外，用场号检测中，可以得到很高的功率放大倍数。此外，用场效应管代替双极性晶体管作前置级，其偏置电流很小，效应管代替双极性晶体管作前置级，其偏置电流很小，因此适用于光功率很小的场合。因此适用于光功率很小的场合。127 7.5 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术弱光检测电路弱光检测电路 光信号测量中常常会出现背景噪声或干扰很大而光信号测量中常常会出现背景噪声或干扰很大而待测信号却十分微弱、几乎被噪声淹没的情况。例如，待

59、测信号却十分微弱、几乎被噪声淹没的情况。例如，对于空间物体的检测，常常伴随着强烈的背景辐射；对于空间物体的检测，常常伴随着强烈的背景辐射；在光谱学测量中特别是吸收光谱的弱谱线更是容易被在光谱学测量中特别是吸收光谱的弱谱线更是容易被环境辐射或检测器件的内部噪声所淹没。这样就使得环境辐射或检测器件的内部噪声所淹没。这样就使得通过光电检测器转换后得到的光电信号的信噪比通过光电检测器转换后得到的光电信号的信噪比（S/N）很小。这时，仅有一个低噪声的前置放大及）很小。这时，仅有一个低噪声的前置放大及耦合电路是不够的，还要设法将淹没信号的噪声尽量耦合电路是不够的，还要设法将淹没信号的噪声尽量的减小，以便从

60、噪声中将信号或信号所携带的信息提的减小，以便从噪声中将信号或信号所携带的信息提取出来，这就需要采取一些特殊的从噪声中提取、恢取出来，这就需要采取一些特殊的从噪声中提取、恢复和增强被测信号的技术。复和增强被测信号的技术。 128 7.5 微弱光信号检测技术微弱光信号检测技术 通常的噪声在时间和幅度变化上都是随机的，分通常的噪声在时间和幅度变化上都是随机的，分布在很宽的频谱范围内。它们的频谱分布和信号频谱布在很宽的频谱范围内。它们的频谱分布和信号频谱大部分不重叠，也没有同步关系。因此降低噪声、改大部分不重叠，也没有同步关系。因此降低噪声、改善信噪比的基本方法可以采用压缩检测通道带宽的方善信噪比的基