光电检测系统：4- 光电信号检测电路

第四章光电信号检测电路

光电检测电路设计要求缓变光信号检测电路光电信号检测电路的动态计算光电信号检测电路的噪声前置放大器14.1光电检测电路设计要求对检测电路的要求：灵敏的光电转换能力-光电灵敏度快速的动态响应能力-带宽、上升或下降沿最佳的信号检测能力-信噪比、接收灵敏度长期工作的稳定性和可靠性。

2光电检测电路的设计要求缓变光信号检测电路光电信号检测电路的动态计算光电信号检测电路的噪声前置放大器3检测对象:缓变光信号-近似直流

方法:采用直流电路进行检测要点:静态工作点计算-直流工作点光电探测器按伏安特性的性质分为:恒流源型、光伏型和可变电阻型三种基本类型。4.2缓变光信号检测电路41恒流源型伏安特性曲线特征：工作电压较小的范围内呈弯曲的趋势，并且有一转折点M；工作电压的升高，曲线逐渐平直；不同光通量的曲线间近似平行且间距，随光通量增大趋于相等。5

具有这种伏安特性的光电检测器件有光电管、光电倍增管、光电二极管和光电三极管等。

a)光电倍增管

b）光电二极管

c）光电三极管6图解计算法基本电路图解法P737负载电阻影响

电源电压影响电阻减小，电流增大，RL端电压变化范围减小。偏置电压增大，输出电压变化范围增大。输入电路对输出信号的影响：P738

解析计算法折线化伏安特性-分区线性化方法一：作两段曲线的切线，交于M点，并连接原点O和M。9

方法二：最大输入光信号对应的伏安特性曲线转折点为M。连接原点O和M；过M作直流部分的拟合直线。10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：线性区内各平行直线的平均斜率；光电灵敏度S：单位输入光功率引起的光电流值；11确定工作点电流：光电流和暗电流之和。

微变等效方程为：

12输入电路的工作状态的计算包括：负载电阻、偏置电压、输出电压幅度、输出电流幅度。确定线性工作区域：折线化特性曲线由U0、G0、G和S四个参数决定。

13在线段MN上有关系：解得：

14计算负载电阻和偏置电压

为保证最大线性输出条件，负载线与Φmax对应的伏安曲线的交点不能低于转折点M。因此有：15当Ub已知时，可计算出负载电导GL或电阻RL为：16当RL＝1／GL已知时，可计算偏置电源电压Ub为：17计算输出电压幅度输入光通量由Φmin变化到Φmax时，输出电压幅度为△U＝Umax-U0

H点M点minmax)(FSGUUUGmaxbL+=-18解得：则，输出电压幅度为：P76公式4-9有误19计算输出电流幅度输出电流幅度为：通常GL>>G

20计算输出电功率由功率关系可得：21光电池的输出电流：UT＝KT／q≈26mV（T＝300K时），Ip＝SE

翻转到第一象限2、光伏型光电检测电路的静态计算

伏安特性22

光伏型器件输入电路的形式

无偏置电路；反向偏置电路；太阳能电池充电电路。无偏置电路偏置电路太阳能电池电路23无偏置输入电路的静态计算等效电路当输入光通量变化范围不变时，负载大小会影响输出。24

将工作区分为四部分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，分别表示：短路或线性电流放大、空载电压输出、线性电压放大和功率放大。2526短路或线性电流放大

输出电流与光通量有良好的线性关系，适合弱光检测，并采用电流放大。27空载电压输出开路电压随光通量的增大呈对数关系变化，(P80图4-11)；当输入光通量较小时，开路电压输出变化较大，对弱光信号的检测特别有利。缺点：输出电压非线性、外界温度影响大，频率特性差。28线性电压输出负载电阻的临界条件29当时，可忽略高次项，I与Φ满足线性关系。由于I0<<I，当满足时，30从伏安特性曲线上确定方法：电压轴上作临界电压UM＝0.7UOC的垂直线，与对应的伏安曲线相交于M点，OM即为临界电阻的负载线。

31又所以输出电压变化为：323、可变电阻型光电检测器件的静态计算光敏电阻和热敏电阻光敏电阻的阻值：33热敏电阻的阻值：RT为温度T时的电阻，R0为温度T＝0时的电阻，α为电阻温度系数，T为温度。当温度变化ΔT时，电阻的变化量△RT为:34简单输入电路图解法光敏电阻电路35负载电流变化△IL

：光电导Gp为:又微分得：则有:电压变化量:P834-28有误36两种典型的工作状态：恒流偏置、恒压偏置。（1）恒流偏置当RL>>R时，有：()负载电流与光敏电阻阻值无关，近似保持常数。电流变化量：LbLRUI=37（2）恒压偏置当RL<<R时，有：( )电压变化量：恒压偏置时，输出信号与光敏电阻的阻值无关，仅取决于SΔΦ，即光电导的相对变化。382）电桥输入电路作用：避免可变电阻型器件受环境温度的影响。热敏电阻电桥电路39电桥平衡时：电桥输出信号为：U0＝0

温升△T引起电阻的改变为：R01为热敏电阻的暗电阻开路电压U0为：40△R<<R01＋Rl，取R1＝R2＝R和R01=R02＝R0，其中R02是RT2的暗电阻。则当满足：U0取极值。计算出当R＝R0时U0取最大值为：41光电检测电路的设计要求缓变光信号检测电路光电信号检测电路的动态计算光电信号检测电路的噪声前置放大器42检测对象：交变光信号要点：动态工作状态计算动态计算的主要问题：（1）确定检测电路的动态工作状态；（2）检测电路的频率响应。4.3光电信号检测电路的动态计算

43输入电路的动态计算

首先要在交变光信号输入电路中建立直流工作点，再计算动态工作状态。光电二极管交变信号检测电路检测电路图解法

44确定动态工作状态：电源电压、直流偏置负载、电压输出范围、电流输出范围。输入光照度e＝E0＋Emsinωt

在三角形MHQ中有：P则：45在三角形MHQ中有：MQH则：输出功率PL为：46输出功率极值：当时，PL有极值

47又有：当时，，故PL取极大值。此时，输出功率最大时的负载电阻：48输出电压峰值Um0最大输出、功率有效值PLm和输出电流峰值Im0为：49直流偏置电阻Rb0和电源电压Ub

的计算：（必须知道Rb0

或Ub中的其中一个才能计算另外一个）静态工作点Q的电流值由伏安特性有：由负载线有：解得：50负载电阻在电压轴上工作点Q处的电压UQ为：对比可得：解得：512）光电池交流检测电路检测电路图解法输入光照度为：e＝E０＋Emsinωt

M点的电压UM应满足：52输出电压峰值Um0最大输出、功率有效值PLm和输出电流峰值Im0为：

53直流偏置电阻Rb0

静态工作点Q的电流值由伏安特性有:解得:Q处的电压UQ为:

54最大功率条件：GL＝Gb＝GL0

则：比较前二式得：解得：55光电检测电路的频率特性光电检测电路的频率特性取决于光电器件本身以及电路的形式和阻容参数。描述检测通道频率响应的参数是通道的通频带△

F，它是检测电路上限和下限截止频率所包括的频率范围。△F愈大，信号通过能力愈强。561）光电检测电路的高频特性反向偏置光电二极管检测电路微变等效电路

ib是偏置电流，ij是结电容电流，ig是光电二极管反向漏电流。

57忽略耦合电容CC的影响，则iL是负载电流，Cj是光电二极管结电容时间常数:上限频率为:58不同工作状态的简化形式：（1）给定输入光照度，输出功率最大时；功率极值条件：RL=Rb和G<<Gb

时间常数:上限频率为:59（2）电压放大时，

最大电压输出：工作条件：RL>>Rb（GL<<Gb）且G<<Gb时间常数:上限频率为:60（3）电流放大时，最大电流输出：工作条件：RL<<Rb(GL>>Gb)且G很小时间常数:上限频率为：612)光电检测电路的综合频率特性检测电路等效电路C0是电路的布线电容，Ci是放大器的输入电容，Cc是级间耦合电容。62输入电路的频率特性其中，当Rg>>Rb时，有K＝SERb

；式中，63输入电路的振幅频率特性:对数表示：分段讨论：（1）高频段（ω＞ω2＝1／T2）ω2称作高频或上限截止频率

|jT1ω|>>1,jT1ω+1→jT1ω

64（2）中频段（ω1<ω<ω2）通常将ω1=1／T1到ω2＝1／T2之间的频率区间称作电路的通频带。

|jT1ω|>>1,|jT2ω|<<1,jT1ω+1→jT1ω

jT2ω+1→165（3）低频段（ω＜ω1＝1／T1）

ω1称作低频或下限截止频率

|jT2ω|<<1,jT2ω+1→166光电检测电路的设计要求缓变光信号检测电路光电信号检测电路的动态计算光电信号检测电路的噪声前置放大器67系统的噪声可分为来自外部的干扰噪声和内部噪声。内部固有噪声是由于系统各元器件中带电微粒不规则运动的起伏所造成，它们主要是热噪声、散粒噪声、产生一复合噪声、1/f噪声和温度噪声等。噪声描述：噪声电压或噪声电流的均方根值则可用En,In表示。4.4光电信号检测电路的噪声681、检测电路的噪声等效处理1）热噪声当温度高于绝对零度时，器件内部杂乱无章的自由电子的热运动，形成起伏变化的噪声电流。大小与极性均在随机地变化着，且长时间的平均值等于零。69噪声电压均方值取决于材料的温度：式中,K是波尔兹曼常数；T是材料的绝对温度；R(f)表示电阻随频率的变化关系；Δf=f2-f1是热噪声的频谱分布宽度。噪声电压均方值：70室温下热噪声的有效带宽B＝(kT/h)·(π2/6)＝0.28GHz

噪声功率谱密度在频率f＜1012Hz的整个无线电频带内是平坦的，电阻热噪声是一种白噪声。

噪声电流均方值：71温度为T=300K时

2）散粒噪声又称散弹噪声。元器件中有直流电流通过时，直流电流值只表征其平均值，而微观的随机起伏形成散弹噪声，并叠加在直流电平上。72散粒噪声电流均方值为：q为电子电荷量；IDC为光电流平均值。也是与频率无关的白噪声。噪声电流有效值：噪声电压：光电流的直流分量Ip，也同样引起散粒噪声，即：733）1/f噪声又称闪烁噪声，是由元器件中存在局部缺陷或有微量杂质所引起的，在探测器、电阻、晶体管及电子管中均有这类噪声。

1/f噪声一般取α＝2

，β＝1，有：噪声功率谱集中在低频，也称为低频噪声。744）产生-复合噪声光电导探测器因光(或热)激发产生载流子和载流子复合(或寿命)这两个随机性过程，引起电流的随机起伏形成产生-复合噪声。产生-复合噪声与频率f有关，属于非白噪声。但在相对低频的条件下，即4π2f2τ2<<1时，公式可简化为：光电导器件的内增益令755）温度噪声热敏器件因其温度起伏所引起的噪声，该噪声的电流均方值表示：k-波尔兹曼常数；T-热敏器件的绝对温度；G-器件的热导；Δf-电路工作带宽766）等效噪声电路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，这样便于与其它电路器件一起以统一的方式建立起等效噪声电路。热噪声等效电流源由热噪声电流源和电阻并联

77两个电阻R1和R2串(并)联组成的合成电路,噪声电流等于合成电阻提供的噪声电流,并表示为:在串联情况下RΣ=R1+R2，在并联情况下RΣ=R1R2/(R1+R2)。78噪声电压：定义噪声等效带宽△fe为:

在电阻和电容C并联的情况下,合成电阻可表示为:

792典型光电检测电路的噪声估算检测电路噪声估算的目的是:(1)确定器件和电路的固有噪声电平；(2)计算信噪比；(3)估算出为保证可靠检测所必须的最小输入光功率值(探测灵敏度)。噪声估算的具体步骤如下:(1)确定检测器件和前级电路的噪声源；(2)计算等效电阻和复合阻抗下的噪声等效带宽,画出检测电路的噪声等效电路；(3)根据噪声等效电路计算噪声输出电压、信噪比和最小输入光功率值。以光电倍增管为例,介绍光电检测电路的噪声估算方法。

80主要噪声有：热噪声和散粒噪声。散粒噪声有效值为:热噪声电流:负载电阻上总的噪声输出电流为:

IA=IAO+Id，Id是阳极暗电流,IAO是光电流直流分量。81简化为:弱光情况下,有IAO=0，总噪声电流取决于暗电流Id,有:负载电阻R上的噪声输出电压为:等效带宽为:82阳极输出总信噪比:灵敏度阈值（最小输入光功率）：

比灵敏阈(归一化灵敏度阈值，比探测率的倒数)：834.5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，必需对其进行放大。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。844.5.1放大器的噪声1、放大器的噪声模型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：考虑En和In相关性，引入相关项，等效输入噪声为：C为相关系数854.5.1放大器的噪声3、En和In的测量当Rs很小时，Eni2中主要是En2占优势。当Rs很大时，Eni2中主要以Et2和In2Rs2为主，且所以当Rs足够大时，Eni2中主要是In2Rs2起作用。可得到En和In的测量方法：①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根值为Au·En，用Au除之，得En。Au为放大器电压增益。②取一个很大的电阻作为源电阻Rs，测得放大器输出端的噪声电压均方根值为Au·InRs，用Au·Rs除之，得In。864、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：

Ap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；Ap·Pni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。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：4.5.1放大器的噪声87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。对式分子分母同除以Ap，并应用式和可得：式中Δf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：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，使得噪声系数减小。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。4.5.1前置放大器的噪声885、噪声匹配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。可得：上式被称为噪声匹配条件，此时得噪声系数最小值为：4.5.1放大器的噪声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。894.5.2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。（通带特性）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。（抗干扰）901.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：①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（100Ω~1MΩ）。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（1kΩ~10MΩ）。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1MΩ~10GΩ。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。4.5.2前置放大器的低噪声设计91②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。根据变压器的变化关系，对于理想变压器，次级上的信噪比没有变化。而等效源电阻增为n2Rs，适当选择n，可实现噪声匹配。4.5.2前置放大器的低噪声设计92③利用并联放大器的方法实现噪声匹配用N个全同的放大器并联连接。当各放大器的输入阻抗满足：4.5.2前置放大器的低噪声设计则有：R0为单个放大器的最佳源电阻这种方法主要适用于放大器的最佳源电阻较大时。934.5.2前置放大器的低噪声设计④无源器件的选取无源器件包括电阻、电容、耦合变压器等。低噪声电路中，一般都选用金属膜电阻器和绕线电阻器，因碳质与碳膜电