光电检测技术

第六章

光电信号检测电路设计

6.1、缓变光信号检测电路设计

6.2、交变光信号检测电路设计

6.3、光信号检测电路噪声估算

6.4、光电信号的放大电路1噪声特点：随机性处理方法：统计分析噪声源外部噪声：外部条件变化引起的，可采取抗干扰措施改善或消除内部噪声：器件本身带来的，无法消除噪声干扰的分析和微弱信号的提取:核心问题噪声估算提高信噪比6.3光电信号检测电路的噪声估算2一、检测电路的噪声等效处理

热噪声电子的无规则热运动形成的瞬时无规则电流电子运动速率与绝对温度成正比6.3光电信号检测电路的噪声估算纯电阻时温度一定时,热噪声只与电阻和通带有关。带宽愈大,噪声功率愈大。同时，通频带对白噪声有抑制作用。散粒噪声光辐射中光子到达率和由它激励形成的光电子数的随机起伏所造成的(如光电子逸出和流过PN结载流子数的随机性)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

噪声电流及负载电阻上的电压的有效值为3一、检测电路的噪声等效处理

输入电路噪声：光电器件噪声、电路器件噪声噪声等效电路：为了计算方便，将各种器件噪声等效为相同形式的均方值（或有效值）电流源的形式6.3光电信号检测电路的噪声估算电阻等效电路简单电阻：由热噪声电流源I＝SQRT（4KTΔf/R）和电阻并联合成电阻：综合噪声电流等于合成电阻提供的噪声电流I＝SQRT（4KTΔf/RΣ），RΣ=R1+R2(串联)，或RΣ=R1·R2/(R1+R2)(并联)更复杂电路，应先将所有电阻合成，画出简化电路，然后再确定噪声等效电流源4一、检测电路的噪声等效处理

6.3光电信号检测电路的噪声估算并联阻容电路(电阻R和电容C并联)合成电阻：噪声电压有效值

变换积分变量使tgθ＝2πfRC，有噪声等效带宽Δfe：Δfe＝1/4RC

并联RC电路对噪声的影响相当于使电阻热噪声的频谱分布由白噪声变窄为等效噪声带宽Δfe5噪声估算目的确定器件和电路的固有噪声电平计算信噪比估算出为保证可靠检测所必须的最小输入光功率值噪声估算的具体步骤是首先确定检测器件和前级电路的噪声源；其次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；最后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。二、典型光电检测电路的噪声估算

6.3光电信号检测电路的噪声估算6光电倍增管检测电路的噪声估算光电倍增管阳极电流的散粒噪声有效值

负载电阻R上的热噪声电流负载电阻上总的噪声输出电流

阈值光通量时有IA0＝0，此时的总噪声电流INm取决于暗电流Id

负载电阻R上的噪声输出电压负载电阻R上有并联电容C时的噪声等效带宽Δf＝Δfe＝1/4RC阳极输出总信噪比SNRA是直流光电流IA与噪声电流有效值IN之比值

灵敏阈Φsmin是暗电流噪声电流有效值INm与阳极灵敏度之比值比灵敏阈76.4光电信号的放大电路光电检测器件所接收光信号十分微弱，往往深埋在噪声中放大器的任务放大光电检测器件所输出的微弱信号匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗对放大器的要求低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力良好的线性和抗干扰能力结构紧凑、良好的接地与屏蔽8一、放大器噪声

放大器的En-In噪声模型放大器内所有噪声源折算到输入端：En串联、In并联6.4光电信号的放大电路EnInZiAvEnsVsiRsVsoEso定义等效输入噪声电压放大器噪声系数是衡量前置放大器噪声性能好坏的指标噪声系数习惯上用分贝(dB)表示低噪声设计的目的是使NF值尽可能小9最佳源电阻和最小噪声系数满足时的Rs称为最佳源电阻,此时F有最小值,而级联放大器的噪声系数和等效输入噪声仍然采用噪声系数评价主要由第一级噪声系数F1决定信号源电阻等于最佳源电阻时,噪声系数最小,称为噪声匹配通常最佳源电阻不等于匹配电阻10低噪声前置放大器与普通放大器区别:满足噪声指标设计要求正确选取器件和工作点,注意满足信号源阻抗与放大器间的噪声匹配考虑电路的组态、级联方式及负反馈等以满足对放大器增益、频响、输入输出阻抗等方面的要求采取避免外来干扰的多种措施二、前置放大器的低噪声设计

6.4光电信号的放大电路111噪声匹配的方法1、有源器件的选取晶体管、场效应管、运算放大器信号源电阻较小时选用晶体管，较大时采用场效应管PNP晶体管适较小源电阻，NPN晶体管适于较大源电阻2、采用输入变压器实现噪声匹配适于信号源电阻小于最佳源电阻时的噪声匹配3、利用并联放大器的方法实现噪声匹配二、前置放大器的低噪声设计12浮地技术改多点接地为单点接地浮地端用一电阻或电容接地双屏蔽技术3、低噪声放大器的屏蔽与接地二、前置放大器的低噪声设计4、低噪声电路对电源的要求高稳定度良好的共模干扰电压抑制能力2无源器件的选取无源器件电阻、电容、耦合变压器13三、检测电路和放大电路的连接1．电流放大型142．电压放大型153．阻宋抗变每换型将高伴阻抗讽电流如源变滔换成梨低阻寨抗电穗压源,然后伟再与尖负载葵相连16作业1.光电菊检测秀电路兴的静佩态计耕算和么动态爬计算扛包括递哪些夹内容窃？它缝们对孩检测屋电路投的工牌作有渠何要滚求？2.光电星二极裕管有虏哪些孔可能贺实现态的电勾路方匀式？撇各种形工作柳状态盖有什难么特族点？访对检艘测电杏路有对什么兆要求疫？3.在10绑kH蚁z和1M厌Hz带宽捞内,计算T=论30样0K时两梳个电尝阻R1=1眉kΩ,残R2=5纤00kΩ串联窑和并斥联时质的热堵噪声娘电压.4.设光煤电倍税增管狂的阴充极灵汽敏度堡为20µA炮/l别m,每一捕级的浙二次宽电子歉倍增摩系数δ=3橡,当入黄射光牺通量此为舱时,阳极肠输出掘电流太为15烘0µA仪.计算亏带宽Δf=籍1H假z时的盯输出忆噪声搬电流逮、等陪效噪沫声功厚率和典阳极络输出耽信噪服比.5.已知牢一个块放大隙器的进，试盏求：1）2）若圾所用好探测刊器Rd=5蜘0Ω，试五问要尸得到圈低噪柴声放腥大器辣，有赛哪些冻可行催措施宰？6.光通劈燕讯系口统中,发射持端功佛率10送mW孩,光传碰输到京接收叉端的依损耗脑为30四dB，In碎Ga寇As接收诊光电幻玉二极留管发两射的1.挥3μm波长性光信佩号的喉响应典频率雁为0.降8A特/W，暗卵电流拼为5n柄A。接滋收端皱所用绣电路处如下随