第6章 光电信号的变换及检测技术.ppt

第6章光电信号的变换及检测技术 CompanyLogo 2 6 1光电信号检测电路的噪声6 2前置放大器6 3常用电路介绍6 4光电技术中的调制技术 CompanyLogo 3 光电检测系统组成 第6章光电信号的变换及检测技术 CompanyLogo 1 光电转换能力强具备较强的光电转换能力 是对光电检测电路的最基本要求 表示光电转换能力强弱的参数 通常采用光电灵敏度 即单位输入光信号的变化量所引起的输出信号的变化量 光电检测电路的设计要求 2 动态响应速度快光电检测电路应满足信号通道所要求的频率选择性或对瞬变信号的快速响应 CompanyLogo 3 信号检测能力强信号检测能力 主要是指光电检测电路输出信号中有用信号成分的多少 常用信噪比 功率等参数表征 通常要求光电检测电路具有可靠检测所必须的信噪比或最小可检测信号功率 光电检测电路的设计要求 4 稳定性 可靠性好光电检测电路在长期工作的情况下应该稳定 可靠 特别是在一些特殊场合下 对稳定性 可靠性的要求会更高 CompanyLogo 光电探测器中的噪声 噪声 外部原因 内部原因 人为噪声 自然噪声 散粒噪声 产生 复合噪声 1 f噪声 热噪声 温度噪声 放大器噪声 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 7 6 1 1噪声的分类及性质 噪声强度可采用噪声电压或噪声电流的均方值 表示 简化为 均方根值则可用和表示 固有噪声是随机过程 噪声电压的瞬时值可取不同值E1 E2 Ei 而对应出现的概率P E1 P E2 P Ei 其分布规律符合高斯分布 n次采样的算术平均值E为 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 8 6 1 2主要的噪声类型 1 电阻热噪声 Thermalnoise 由自由电子的热运动形成起的伏变化的噪声电流 k 0 常用噪声电流的均方值表示 式中R 所讨论元件的电阻值 k 玻尔兹曼常数 k 1 3806505 10 23J K T 电阻所处环境的绝对温度 f 所用测量系统的频带宽度 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 9 电阻热噪声 电阻热噪声的等效电路 6 1 2主要的噪声类型 1 电阻热噪声 Thermalnoise 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 10 2 散弹噪声 又称散粒噪声 元器件中有直流电流通过时 直流电流值只表征其平均值 微观的随机起伏形成散弹噪声 并叠加在直流电平上 散弹噪声的电流均方值为 q 为电子电荷 IDC 为流过电流的直流分量 散弹噪声的顺势变化 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 11 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 3 噪声 Flickernoise 噪声有以下经验公式 k1 与元件有关的参数 与流过元器件电流有关的常数 通常取 2 与元器件材料性质有关的系数 约在0 8 1 3之间 常取 1 噪声的电流均方值与电路频率f成反比 所以称之为噪声 它不为白噪声 噪声功率谱集中在低频 有时又称其为低频噪声 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 12 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 4 产生 复合噪声 g r噪声 I 流过光电导器件的平均电流 载流子的平均寿命 e 载流子在光电导器件两电极间的平均漂移时间 f 测量电路的带宽 该式与散弹噪声表达式相类似 可认为是近似的白噪声 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 13 因其温度起伏所引起的噪声 k一波尔兹曼常数 T 热敏器件的绝对温度 GQ 器件的热导 5 温度噪声 6 背景辐射的光子噪声 探测器接收目标辐射 也接收到目标以外其它物体的辐射 这些辐射也是一种不连续的起伏过程 这种因背景辐射起伏引起探测器产生的噪声叫做背景辐射的光子噪声 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 前置放大器是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备 第一级放大器 是专为接收来自信源的微弱电压信号而设计的 前置放大器在放大有用信号的同时也将噪声放大 低噪声前置放大器就是使电路的噪声系数达到最小值的前置放大器 6 1 3前置放大器的噪声 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 前置放大器的作用 从探测器输出端获得所需的电信号 能量 时间 预放大探测器的输出信号 以获得较好的信号噪声比 进行阻抗变换和匹配 减少信号传输中的干扰 放大倍数以及成形时间常数的调节 则主要由主放大器来完成 前置放大器一般可认为是一个阻抗转换器 具有高输入阻抗 低输出阻抗 探测器通常要求后级有高的输入阻抗以利于信号输出 主放大器则要求有能与其阻抗相匹配的低的输出阻抗及传递信号 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 基本放大电路及其模型 按输入信号与输出信号的不同组合方式 放大电路有四种基本类型 下面介绍四种放大器的简单模型 了解它们之间的本质区别和联系 CompanyLogo 基本放大电路及其模型 ui uo 对信号而言 任何放大电路均可看成二端口网络 信号源内阻 信号源 输入电压 输入电流 输出电压 输出电流 Ri 输入电阻 输出电阻 输入电阻Ri 用来描述放大电路对信号源索取电流的大小 也表示放大器对信号源的影响程度 从放大电路输入端看进去的等效电阻 输出电阻Ro 描述放大电路带负载能力的指标 CompanyLogo 1 电压放大器 输入是电压信号 输出也是电压信号 是一种电压控制电压源 电压增益Au 当RL 时 Au Auo Auo称为开路电压增益 Ro越小 Au越稳定 放大器的带负载能力越强 为使ui尽可能接近us提高电源利用率 Ri越大越好 输入电阻Ri 为提高电源利用率和带负载能力 设计电压放大器时应满足Ro Rs 理想电压放大器的条件是Ro 0和Ri 此时 Au恒等于Auo 而其电流增益和功率增益恒等于无穷大 CompanyLogo 2 电流放大器 输入信号是电流 输出信号也是电流 是一种电流控制电流源 输入电阻Ri 电流增益Ai 当RL 0时 Ai Aio Aio称为短路电流增益 Ro越大 Ai越稳定 放大器的带负载能力越强 为使ii尽可能接近is提高电源利用率 Ri越小越好 为提高电源利用率和带负载能力 设计电流放大器时应满足Ro RL Ri Rs 理想电流放大器的条件是Ro 和Ri 0 此时 Ai恒等于Aio 而其电压增益和功率增益恒等于无穷大 CompanyLogo 5 四种基本放大器的区别和联系 区别是 增益的量纲不同 对输出电阻的要求不同 对输入电阻的要求不同 以电压作为输出量的放大器要求Ro RL 以电流作为输出量的放大器要求Ro RL 以电压作为输入量的放大器要求Ri Rs 以电流作为输入量的放大器要求Ri Rs 适用场合不同 电压放大器和跨阻放大器适用于负载电阻较大的场合 多用于信号的前置放大和中间放大 电流放大器和跨导放大器适用于负载电阻较小的场合 多用于电子系统的输出级或执行机构的驱动电路 CompanyLogo 耦合方式 直接耦合 电路简单 能放大交 直流信号 各级静态工作点 Q 互相影响 不利于调整 零点漂移严重 电路利于集成化 低频特性好 阻容耦合 各级静态工作点 Q 相互独立 只放大交流信号 不利于集成化 低频特性差 光电耦合 主要用于耦合开关信号 抗干扰能力强 变压器耦合 各级静态工作点 Q 相互独立 可实现阻抗的变换 用于选频放大器 功率放大器等 不利于集成化 低频特性差 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 对于微弱信号检测仪器或设备 前置放大器是引入噪声的主要部件之一 整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系数 仪器可检测的最小信号也主要取决于前置放大器的噪声 6 1 3前置放大器的噪声 6 1光电信号检测电路的噪声 前置放大器在放大有用信号的同时也将噪声放大 CompanyLogo 1 放大器的噪声系数放大器无噪声时的输出噪声功率指仅由输入噪声经放大引起的输出噪声功率 F值越大 说明放大器内部噪声源在输出端产生的噪声功率占输出总噪声功率的比重越大 6 1 3前置放大器的噪声 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 设放大器输入噪声功率为Pni 输出噪声总功率为Pno 放大器的放大倍数为Kp 有 设放大器的输入信号功率为Psi 输出信号功率为Pso Pso KpPsi这里的信噪比不是电压比 而是功率比 对于一个无噪声的放大器 F 1 对于具有内部噪声源的实际放大器 F 1 6 1 3前置放大器的噪声 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 噪声系数F常用dB表示为噪声因数NF NF表征在不可避免的信号源噪声之上由放大器增加的噪声功率 6 1 3前置放大器的噪声 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 为简单计 设级数M 3 各级放大器本身产生的噪声功率分别为P1 P2 P3 第一级放大器的输入噪声功率为Pni 则最后一级的输出噪声功率Pno为 多联放大器的噪声系数 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 级联放大器总的噪声系数F 可推导出计算M级级联放大器总的噪声系数F的弗里斯公式 级联放大器中各级的噪声系数对总噪声的影响是不同的 越是前级影响越大 第一级影响最大 如果第一级的功率放大倍数K1足够大 则系统总的噪声系数F主要取决于第一级的噪声系数F1 在设计用于微弱信号检测的低噪声系统时 必须确保第一级的噪声系数足够小 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 噪声产生原因 低噪声半导体器件的选择确定电路级数和工作电路组态确定低噪声工作点噪声匹配确定抑制外来干扰的技术措施 抑制措施 元器件不理想 内因 放大电路的工作条件不理想 外因 6 1光电信号检测电路的噪声 6 1 3前置放大器的噪声 光电器件放大过程中的噪声 CompanyLogo 6 1光电信号检测电路的噪声 6 1 3前置放大器的噪声 三极管放大电路中的噪声放大电路中电阻的热噪声三极管的噪声所构成 把所有噪声源折合到放大器的输入端 用输入端的等效噪声源表示 网络内部的噪声源等效为网络输入端的一个电压源en和一个电流源in CompanyLogo es 是被测信号电压 Rs 是传感器输出内阻 et 噪声电压源表示电阻的热噪声en和in 分别表示放大器等效到输入端的噪声电压和噪声电流 6 1光电信号检测电路的噪声 6 1 3前置放大器的噪声 CompanyLogo 有效值的平方表示 设et en和in互不相关 输入电路的总噪声功率 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 三极管放大电路噪声系数 这时可以达到的最小噪声系数为 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 33 通过对半导体三极管持特性的进一步分析 还可以得到以下三个对电路设计有意义的结论 1 半导体三极管的噪声系数与工作频率f间的关系如图所示 三极管噪声系数的频率特性 f 1 f噪声 热噪声和散弹噪声 分配噪声 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 34 2 噪声系数与源电阻Rs的关系如图所示 即Rs Pcopt时 噪声系数最小 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 35 3 噪声系数与三极管工作点电流的关系 有最小值存在 对应最佳工作点或最佳工作电流ICQ Icopt 其值约为lmA 设计三极管集电极工作点电流 应取在最佳值Icopt附近 三极管噪声系数与其工作点电流的关系 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 由最佳源电阻Rso不一定得到最大的功率增益 Rso是能给出最大信噪比的源电阻阻值 选择源电阻的目的不是达到功率匹配 而是噪声匹配 只有在放大器的最佳源电阻等于信号源输出电阻的情况下 才能使电路的噪声系数最小 6 1光电信号检测电路的噪声 CompanyLogo 37 6 2前置放大器 1 输出信号较强时 前置放大器及后续放大器的设计主要考虑 增益 带宽 阻抗匹配和稳定性 2 输出信号弱时 应主要考虑抑制噪声 探测器与偏置电路的等效 CompanyLogo 38 1 前置放大器设计的大致步骤 2 从噪声匹配原则出发 选择前置放大器第一级的管型 3 在管型选定后 第一 二级应采用噪声尽可能低的器件 按照最佳源电阻的原则来确定管子的工作点 并进行工作频率 带宽等参量的计算及选择 1 测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻Rs 选用第一级放大器件的准则 6 2前置放大器 CompanyLogo 39 1 根据所采用的光电探测器的噪声谱和选定放大器的典型噪声谱 确定工作 调制 频率 2 放大器设计中频率及带宽的确定 典型探测器的噪声谱 2 光电检测系统中按照白噪声的特点 工作频率选定后 应尽可能减小电路的频带宽度 6 2前置放大器 CompanyLogo 40 3 当信号频率在一定范围内变化 不能选用固定频率的窄带滤波方式工作时 除确定必要的窄带外 可采用设计选通积分器的方法来抑制噪声 4 在某些系统如脉冲系统中 为保持信号的波形 必须采用频带宽度较宽的处理电路 适当牺牲高频 下图说明了所需保持波形和电路3dB带宽 f之间的关系 积分具有平均的作用 带宽对矩形脉冲波形和复制的影响 6 2前置放大器 CompanyLogo 信号从基极输入 从发射极输出的放大器 射极跟随器 输入阻抗高 输出阻抗低 从信号源索取的电流小而且带负载能力强 常用于多级放大电路的输入级和输出级 也可用它连接两电路 减少电路间直接相连所带来的影响 起缓冲作用 特点 6 2前置放大器 前置放大器的实例 CompanyLogo 放大电路的直流通路和交流通路 通常放大电路中直流电源和交流信号的作用共存 并且由于电路中电抗元件的存在 交流电流和直流电流流过的通路是不一样的 使电路的分析复杂化 为简化分析 在分析时将它们分开作用 引入直流通路和交流通路的概念 1 直流通路 直流电源作用的通路 解决静态工作点问题 2 交流通路 交流信号源作用的通路 反映交流信号的传输问题 交流信号源置零 保留内阻 电容开路 电感短路 线圈电阻近似为0 大电容 耦合电容 旁路电容 相当于短路 直流电源相当于短路 电感相当于开路 适用的频率范围 放大电路的中频区 CompanyLogo 直接耦合放大电路的直流通路和交流通路 直流通路 交流通路 CompanyLogo 阻容耦合放大电路的直流通路和交流通路 直流通路 交流通路 CompanyLogo 1 直流电路 射极跟随器 CompanyLogo 1 直流电路 射极跟随器 EC IBRB UBE IERE IBRB UBE 1 IBRE 对低频小功率管其值为 rbe 300 1 26mV IEmV CompanyLogo 2 交流电路 射极跟随器 CompanyLogo 求Au Uo Ui Uo Io Ie 1 Ib Ui Ibrbe Uo Ibrbe 1 Ib 1 rbe 2 交流电路 射极跟随器 CompanyLogo 2 交流电路 射极跟随器 求Ai Io Ii 由于射极输出器的输入电阻Ri较大 RB的分流作用一般不能忽略 当考虑了RB的分流作用后 CompanyLogo 2 交流电路 射极跟随器 求Ri Ui Ibrbe Uo Ibrbe 1 Ib CompanyLogo 求Ro 而RE Ro 2 交流电路 射极跟随器 CompanyLogo 2 交流电路 射极跟随器 1 Au小于1而接近于1 且Uo与Ui同相 即输出电压与输入电压差不多 故又称为射极跟随器 2 射极跟随器有电流放大能力 3 输入电阻高 输出电阻低 应用射极跟随器通常用作隔离级 以及多级放大器的输入级和输出级 CompanyLogo 例 已知射极输出器的参数如下 RB 570k RE 5 6k RL 5 6k 100 UCC 12V 求Au ri和ro RL 1k 和 时 求Au CompanyLogo 解 1 CompanyLogo RL 1k 时 2 RL 1k 和 时 求Au RL 时 结论 射极输出器带负载能力强 比较 空载时 Au 0 995RL 5 6K 时 Au 0 990 CompanyLogo 56 6 3常用电路介绍 6 3 1选频放大器6 3 2相敏检波器 相敏整流器 相敏解调器 6 3 3相位检测器 鉴相器 6 3 4鉴频器6 3 5脉冲宽度鉴别器6 3 6积分微分运算器6 3 7锁相环及锁相放大器 本节包括以下几部分内容 CompanyLogo 57 图示的相位检测器的相位范围为 且输出电压与相位差成线性关系 6 3 3相位检测器 鉴相器 相位检测器框图 CompanyLogo 58 相位检测器各环节的波形 uAuB同相uA领先uB90 uA落后uB90 CompanyLogo 输出电压的平均值u0为 为待测信号和基准信号的相位uz两信号相位相差180o时的电压输出值 2 光通量的相位测量 相位检测器电路 CompanyLogo 60 6 3 4鉴频器 鉴频器的种类很多 这里介绍时间平均值鉴频器 其工作波形如图所示 图中给出了两个不同频率调频波的有关波形 以便比较 鉴频器原理框图 CompanyLogo 61 尖脉冲数目与频率有关 频率越高 尖脉冲越多 输出越高 鉴频器各环节波形 6 3 4鉴频器 CompanyLogo 62 过零检测 鉴频器电路原理 微分器 线性检波器 低通滤波器 6 3 4鉴频器 CompanyLogo 63 6 3 5脉冲宽度鉴别器 在光电检测技术中 有时需要在不同宽度的脉冲中 选出脉宽在某个特定值T附近的控制脉冲 即T TP TP TP为特定的持续期 TP为允许偏差 实现该功能的方案之一如图所示 相应的工作波形如下页图所示 脉宽鉴别器 CompanyLogo 64 或非 全零则1 输入信号 电平检测1 积分 电平检测2 或非 单稳2 单稳1 6 3 5脉冲宽度鉴别器 脉宽鉴别器各环节的波形 2 TP CompanyLogo 65 脉宽鉴别器电路图 6 3 5脉冲宽度鉴别器 CompanyLogo 66 6 3 7锁相环及锁相放大器 使一个简谐波自激振荡的相位受基准振荡的控制 保持特定的关系 叫作 相位锁定 简称 锁相 锁相环方框图 CompanyLogo 67 输入与输出信号频率不同会导致产生不断变化的相位差 鉴相器 将压控振荡器输出的信号和输入信号之间的相位差转换为误差电压 式中 Kd鉴相器灵敏度 n t 相位差 低通滤波器 常叫环路滤波器 滤除高频成分 压控振荡器 电压 频率变换的作用 6 3 7锁相环及锁相放大器 CompanyLogo 68 6 3 7锁相环及锁相放大器 锁相环方框图 主要特点 通过反馈控制使鉴相器的两个接入频率保持一致 6 3 7锁相