第5章 光电信号检测电路

1、第5章 光电信号检测电路主要内容：5.1 光电检测电路的设计要求5.2 光电信号输入电路的静态计算5.3 光电信号检测电路的动态计算5.4 光电信号检测电路的噪声5.5 前置放大器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。5.1 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

2、出电平和通频带等技术要求来确定电路的连接形式和电路参数，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：5.2 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，所采用的方法包括非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：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

3、介绍各种工作状态下的电路计算方法。2/20cmmW1612840 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5.2.1 恒流源型器件光电信号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

4、控制输出电流，而光电流是由输入光功率控制的。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，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。IU1、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：UUbRLI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。图中给出了Ub不变时，RL的大小对输出

5、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：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。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，

6、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Umax2、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。折线化的画法一QMPO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdIiMUO0UGarctan0arctanG折线化的画法二折线化的画法QMPO0PiUQI0arctanGGarctan0UpIdI折线化伏安特性可用下列参数确定：转折电压U0对应于曲

7、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：SGUIIIpdIpIdIGRg1折线化伏安特性的分

8、析： 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2、计算负载电阻和偏置电压：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU为保证最大线性输出条件，负载线和与对应的伏安曲线交点不能低于转折点M。设负载线通过M点，可得关系：0

9、00UGGUULb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：GGGGGSULLb00max3、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：0maxUUU由图中M和N点电流值计算：HSGUUUGbL:minmaxmaxMSGUUUGbL:max00联合求解：LbLGGSUGUminmaxLbLGGSUGUmax0求得U：LLGGSGGSUminmax3、计算输出电流幅度

10、：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU输出电流幅度：UGIIILminmaxLLGGSGGSUminmax由下式可得：LLGGSUGI1minmax通常 ，上式可简化为：GGLSSIminmax4、计算输出电功率：iMNmaxUH0O0arctanGGarctanLGarctanminImaxIImaxmin0UbUUU由功率关系：UIP可得：22LLLGGSGUGUIP5.2.2 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

11、路光伏型器件伏安曲线如图示，位于第四象限，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sspTIIIIUUln1、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

12、变化时形成相应的输出电流变化和输出电压变化。i0QIIULGarctanQUO光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析：U2scI1scI1UIO12Ui2U0LR1R2RMRULRpIdII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，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。ssLpLTIIR

13、UIRUUUIPlnPUIRLU、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：ssLpTIIRUIUUln1TLURIspeIII1U2scII1scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMR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。1U2scII1

14、scIO12UiIIIIIIIVU2U0LR1R2RMR2、负载电阻较大时，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。VUoc6.045.03、在II区间，可得到线性电压输出，在串联的负载电阻上得到与输入光通量近似成正比的信号电压，负载

15、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。电压信噪比高，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RLRbbERSK 式中：2232,1411TTTT06645423TTTTTTTbLibLiGGCRRCT/

16、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1020d

17、B10lg20TKTjWlg20111T0221TLRbRgRcCjCiC0C等效电路111jTjT21011jTjTjKTjW10TKTjWM对数频率特性OdB3倍频1020dB10lg20TKTjWlg20111T0221TLRbRgRcCjCiC0C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中频段低频段对数频率特性OdB3倍频1020dB10lg20TKTjWlg20111T0221TLRbRgRcCjCiC

18、0C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。21011jTjTjKTjW112jT3 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：保证所需要光电检测电路设计的基本要求：保证所需要检测灵敏度检测灵敏度的前提的前提下获得最好的下获得最好的线性不失真线性不失真和和频率不失真频率不失真，频率不失真是检测电，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。对快速变化的复杂信号是若干不同谐

19、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变。为避免频率失真，

20、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。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

21、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：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，

22、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1515个谐波成分，个谐波成分，高频截止频率高频截止频率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 /1245K0

23、01tF 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，谱线的是离散的，谱线的频率间隔频率间隔为：为：kHzsTf200511频谱包络线频谱包络线零值点的分布间隔零值点的分布间隔为：为：MHzstF25 . 0110ust5 . 00V1tust 5频率的频率的零频分量零频分量确定信号的直流成分，不影响变化的波形，但为采用确定信号的直流成分，不影响变化的波形，但为采用交交流放大流放大利用阻容耦合电容利用阻容耦合电容隔直隔直。取。取低频截止频率低频截止频率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

24、带宽近似为F3MHz。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（2 2）确定级联各级电路的频带宽确定级联各级电路的频带宽由设计要求，检测电路由由设计要求，检测电路由输入电路和两级相同放大器输入电路和两级相同放大器串联而成，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=

25、f=fLCLC=200Hz=200Hz和和n=3n=3代入上两式，可得：代入上两式，可得：MHzMHzfH612331HzHzfL1021220031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：MHzF63 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，利用前述公式可方式，利用前述公式可计算出。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 RL L为为2k2

26、k，为保证，为保证R RL LRRb 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：FFRRCbL07. 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?）3 3、光电检测电路频率特性的设计、光电

27、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选用二级通用的选用二级通用的宽带运算放大器宽带运算放大器，放大器，放大器输入阻抗输入阻抗小于小于2k2k，放大器，放大器通频带通频带要求为要求为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。图中输入电路的图中输入电路的直流电源直流电源为为50V50V，低于，低于2DU12DU1型光电二极管的型光电二极管的最大反向电压最大反向电压。并联的。并联的500F500F电容电容用以滤除电源波动。为减用以滤除电源波动。

28、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。5.4 光电信号检测电路的噪声5.4.1 检测电路的噪声等效处理光辐射检测器中存在的内部噪声主要有光辐射检测器中存在的内部噪声主要有热噪声、散粒热噪声、散粒噪声、半导体中产生复合噪声、温度噪声和闪烁（噪声、半导体中产生复合噪声、温度噪声和闪烁（1/f）噪声。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。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

29、测器件中主要的噪声是一般光电检测器件中主要的噪声是热噪声热噪声和和散粒噪声散粒噪声。下。下面做简要介绍并讨论面做简要介绍并讨论等效噪声电路等效噪声电路。5.4.1 检测电路的噪声等效处理1 1、噪声、噪声 热噪声热噪声热噪声是热噪声是电阻性电路器件的共性噪声电阻性电路器件的共性噪声，噪声电压均方值，噪声电压均方值取决于材料的温度，并有关系式：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，在纯电阻的简单情况下，R R与频谱无关，上式可变为：与频谱无关

30、，上式可变为：fkTRUT 42RfkTIT 42相应的噪声电流均方值为：相应的噪声电流均方值为：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。5.4.1 检测电路的噪声等效处理当温度为当温度为T=300KT=300K时，时，kT=4.1410-21J，电阻的噪声电压和电流有，电阻的噪声电压和电流有效值变成：效值变成：21101029.14JfRfkTRUT2129.1JRfIT例：室温下1M电阻，如果检测电路的放大倍

31、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5.4.1 检测电路的噪声等效处理 散粒噪声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，光电子从材料表面逸出的随机性和PN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现为散粒噪声。散粒噪声的量值不取决于温度，而由流过器件的平均电流决定。若器件的通频带为f，它的散粒噪声电流均方值为：fqII

32、DCn 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In和在负载电阻上引起的噪声电压Un分别为：fqIIDCn2fqIRRIUDCnn2散粒噪声也是与频率无关的白噪声。5.4.1 检测电路的噪声等效处理2 2、等效噪声电路、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，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：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如图示为简单电阻的

33、噪声等效电路，由热噪声电流源电路，由热噪声电流源IT和电和电阻并联。阻并联。若两个电阻串并联组成合成电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路，综合噪声电流等效电路的噪声电流表示为：噪声电流表示为：RfkTIT42R为合成电阻。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。式确定噪声等效电路。由以上分析，并联由以上分析，并联RCRC电路对噪声的影响相当电路对噪声的影响相当于使电阻热噪声的频谱白噪声变窄为于使电阻热噪声的频谱白噪声变窄为等效噪等效噪声带宽声带宽f fe e，其物理意义：频带变窄后的

34、噪，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声非均匀分布曲线所围图形面积等于以f fe e为带宽、为带宽、4kTR4kTR为恒定幅值的矩形区面积。也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。声频谱的不均匀分布。5.4.1 检测电路的噪声等效处理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fe：RCfe41eTfkTRU 42这就是阻容电路热噪声的一般表示式。适用于散

35、粒噪声计算。f2TUf信号通频带OkTR4白噪声噪声电压均方值变为：噪声电压均方值变为：5.5 前置放大器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低噪声前置放大器。低噪声前置放大器的任务： 1、放大光电检测器件所输出的微弱电信号； 2、匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。对前置放大器的要求： 1、性能上：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。 2、结构上：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。因此如何设计和

36、应用低噪声放大器，如何将一定偏置状态下的检测器件与前置放大器耦合是必须考虑的重要问题。5.5.1 放大器的噪声1、放大器的噪声模型sRtEsUnEiEnIiZsoUnoE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En串联在输入端和阻抗为无限大噪声电流源In与输入端并联。放大器内部成为一个无噪声放大器。En和In通过测量得到。这种等效模型称为放大器的En-In噪声模型。2、等效输入噪声信号源与放大器组成的系统的噪声源为三个：En、In和Et。用“等效输入噪声Eni”表示，可得等效噪声源表达式：22222sntnniRIEEE考虑En和In相关性，引入相关项，等效输入

37、噪声为：snnsntnniRICERIEEE222222C为相关系数5.5.1 放大器的噪声3、En和In的测量sRtEsUnEiEnIiZsoUnoE放大器无噪声当Rs很小时，Eni2中主要是En2占优势。22222sntnniRIEEE22nRniEEs很小当Rs很大时，Eni2中主要以Et2和In2Rs2为主，且stRE2222ssnRRI所以当Rs足够大时， Eni2中主要是In2Rs2起作用。fkTREst4可得到En和In的测量方法：放大器输入端短路，即Rs=0，测得放大器输出端的噪声电压均方值为AuEn，用Au除之，得En。Au为放大器电压增益。取一个很大的电阻作为源电阻Rs，测

38、得放大器输出端的噪声电压均方值为AuInRs，用AuRs除之，得In。4、噪声系数描述放大器的噪声性能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。可表示为：nipnoPAPFAp为放大器的功率增益；Pni为放大器的输入噪声功率，即源电阻产生的噪声功率；ApPni表示了源电阻在放大器输出端产生的噪声功率；Pno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Ap（输出信号功率Pso与输入信号Psi之比）表示式，噪声系数可表示为：5.5.1 放大器的噪声噪声系数是对放大器引起信噪比恶化程度的量度

39、，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

40、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。5.5.1 前置放大器的噪声5、噪声匹配fkTRIfkTREEEFsnsntni4412222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。22222sntnniRIEEE044122fkTRIfkTREdRddRd

41、Fsnsnss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：5.5.1 放大器的噪声fkTIEFnn21min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。5.5.2 前置放大器的低噪声设计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

42、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。5.5.2 前置放大器的低噪声设计1. 噪声匹配的方法要使前置放大器获得最佳噪声性能，必须满足噪声匹配条件，即要求信号源阻抗等于最佳源阻抗。此时放大器的噪声系数最小。实现噪声匹配从几个方面考虑： 有源器件的选取 信号源电阻较小（热电偶、光电池）一般选用晶体管构成低噪声前置放大器。因晶体管电流噪声In较大，具有较小的最佳源电阻（1001M）。 源电阻较大时（热敏电阻），多采用场效应管，因它有较小的电流噪声In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MOS场效应管的最佳源电阻可达1M10G。 有源器件的最佳源电阻Rs是频率的函数。随频率的升高，场效应管R0迅速减小，因此结型场效应管在高频（几十兆Hz）时也仅适于源电阻较小情况。PNP晶体管适于Rs小；NPN晶体管适于Rs大的情况。5.5.2 前置放大器的低噪声设计 采用输入变压器实现噪声匹配 这种方法用于解决信号源电阻Rs小于最佳源电阻R0时的噪声匹配问题，如采用热电偶检测器件时就是这样。nIsRn2tnEsnUnEuAsoUnoEsoUnoEsRtEsUu