光电信号检测电路

关于光电信号检测电路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。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。第2页,共25页，2024年2月25日，星期天4.5.1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。第3页,共25页，2024年2月25日，星期天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Us为信号源电压Rs为信号源内阻Et为信号源内阻上的热噪声电压Zi为放大器输入阻抗Au为放大器电压增益Uso、Eno分别为放大器总输出信号和输出噪声无噪声放大器第4页,共25页，2024年2月25日，星期天输出电压和输出噪声:At称系统的增益带入电压表达式得第5页,共25页，2024年2月25日，星期天等效输入噪声电压为:En,In

可直接测量得到则可得等效噪声源表达式：第6页,共25页，2024年2月25日，星期天Et是源电阻的热噪声C为相关系数如果考虑En和In相关性，引入相关项，等效输入噪声为：第7页,共25页，2024年2月25日，星期天3、En和In的测量所以当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。第8页,共25页，2024年2月25日，星期天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：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。第9页,共25页，2024年2月25日，星期天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：第10页,共25页，2024年2月25日，星期天可得：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：注：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。第11页,共25页，2024年2月25日，星期天5、噪声匹配式表明噪声系数与源电阻Rs有关。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：第12页,共25页，2024年2月25日，星期天4.5.2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。第13页,共25页，2024年2月25日，星期天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：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。第14页,共25页，2024年2月25日，星期天

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。第15页,共25页，2024年2月25日，星期天②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,n2Rs

=R0。第16页,共25页，2024年2月25日，星期天③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：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。第17页,共25页，2024年2月25日，星期天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，因碳质与碳膜电阻的噪声指数较大（一般为十几到几十微伏/伏以上）；而金属膜电阻器可做到小于0.2~1uV/V左右。电容器的选择：主要用损耗角小的云母电容和瓷介电容来降低噪声。在大容量电容中，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加磁场作用下，由于磁化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和静电屏蔽。第18页,共25页，2024年2月25日，星期天2.低噪声放大器的屏蔽与接地由于地回路电流的存在，在两接地点间存在电位差，形成干扰源，称为差模源。解决方法是改多点接地为单点接地。此种技术称为浮地技术。浮地端再用1~10kΩ的电阻或一个小电容接地，加强对空间电磁场的屏蔽效果。探测器前放~探测器前放接地干扰的形成与抑制第19页,共25页，2024年2月25日，星期天为了更好地消除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消除地干扰，外层屏蔽采用多点接地以消除电磁场干扰。探测器R1R2内层屏蔽外层屏蔽外屏蔽壳内屏蔽壳抑制地环流的双屏蔽结构第20页,共25页，2024年2月25日，星期天3.低噪声电路对电源电路的要求对电源电路要求具有高的稳定度和良好的共模干扰电压抑制能力。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成循环通路。

一般稳压电源的稳定度为10-2~10-4，而低噪声系统要求电源稳定度为10-5~10-6。因此应采取相应措施提高稳定电源的稳定度。第21页,共25页，2024年2月25日，星期天4.5.3检测器件和放大电路的连接以光电二极管为例，介绍三种与IC放大器的典型连接方法：①电流放大型光电二极管处于短路工作状态，输出近似理想的短路电流，运算放大器处于电流放大状态，要求输入阻抗非常Zi小输出电压：优点：输入阻抗低，响应速度高，噪声低，信噪比高。适用微弱信号检测。式中：A为放大器开环放大倍数，Rf为反馈电阻第22页,共25页，2024年2月25日，星期天②电压放大型光电二极管与负载电阻并联接于IC放大器正端，RL取1MΩ，光电二极管处于开路工作状态，输出近似理想的开路电压。优点：运放漏电流远小于光电流，具有高输入阻抗。应用于光电开关，温度和频率特性不理想。式中：为该电路的电压放大倍数第23页,共25页，2024年2月25日，星期天③阻抗变换型光电二极管具有恒流源特性，内阻大，不宜与负载直接连接。采用阻抗变换器（如场效应管为前级的I