新光电第五章第三、四、五节

1、第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 第三节第三节 光电检测电路的动态设计光电检测电路的动态设计 光电器件由于自身惯性和检测电路耦合电容、分布电容等非 电阻性参数的存在，光电检测电路需要一个过渡过程才能对 快速变化的输入光信号建立稳定的响应。 在光电器件以各种耦合方式和电路器件组成检测电路时，其 综合动态特性综合动态特性不仅与光电器件本身有关，而且还取决于电路 的形式和阻容参数，需要进行合理的设计才能充分发挥器件 固有性质，达到预期动态要求。 工程上描述检测通道频率响应的参数是通道的通频带通道的通频带 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

2、越大， 信号通过能力越强。 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 一、光电检测电路的带宽一、光电检测电路的带宽 带宽在低噪前放及耦合电路设计中是一个重要参数。探测系 统所接收信号光功率频谱范围有限，而噪声频谱范围无限。在在 保证信号有效带宽前提下，限制光电检测电路通频带可有效保证信号有效带宽前提下，限制光电检测电路通频带可有效 抑制噪声。抑制噪声。 电路带宽选择原则：保持信号频谱中绝大部分能量通过而削电路带宽选择原则：保持信号频谱中绝大部分能量通过而削 掉部分频谱能量较低的高频分量，同时对信噪比和信号失真掉部分频谱能量较低的高频分量，同时对信噪比和信号失真 折衷

3、考虑。折衷考虑。例如，检出正弦调幅信号，带宽只要能通过中心频 率加边频分量即可。对于调频信号则可近似取为： (5-55) 式中， fm为所需带宽；MF是FM调制系数； f是负载波引起 的频移。 mF 21fMf 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 对于脉冲信号，其主要频谱能量集中在f = 01/以 内，(为脉冲宽度)。在实际系统中，从提高信噪比 的角度考虑，并不要求保持脉冲信号的形状。所以 通常按实际需要牺牲高频分量，保持必要的脉冲特 性。也有少数系统要求保持脉冲形状不失真或失真 很小，这就要求能通过较多的高频分量。 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第

4、三节光电检测电路的动态设计 放大器对矩形脉冲的响应特性与放大器带宽有关，图5-16说明了所需保持 的脉冲波形和电路的3dB带宽f之间的关系。矩形脉冲脉宽越窄，要求放 大器的带宽就越宽。否则脉冲将被展宽，其幅度也随之下降。 f = 0.25时，随着f 加宽，输出信号幅度与带宽平方成正比； f = 0.5时，峰值功率上升，响应时间缩短； 带宽再增加时，响应时间减小，输出信号峰值功率输出信号峰值功率很快达到常数且与带宽 无关。 由于输出噪声功率随带宽线性增加，因而存在最佳带宽最佳带宽。 对于矩形脉冲，当f = 0.5时出现最大值；对于其他形状脉冲，f =0.25 0.5。 当要求保持脉冲形状脉冲形状

5、时，带宽要求更 宽些。对于矩形脉冲，f = 4时，才 能准确保持脉冲形状。 f 0.5 后输出峰值幅度已基本不变。 所以从信噪比要求出发， f 不必超过0.5。 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 二、光电检测电路的频率特性二、光电检测电路的频率特性 1. 光电检测电路的高频特性光电检测电路的高频特性 大多数光电探测器对检测电路的影响突出表现在对高频光信号 响应的衰减上。首先讨论光电检测电路的高频特性。 以图5-17a所示反偏光敏二极管交流检测电路为例进行分析讨论。 图5-17b给出了该电路的微变等效电路图。高频状态下耦合电容 Cc可忽略不计。 第五章第三节光

6、电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 电路方程： (5-56) 式中，SE为光电灵敏度；e是入射光照度(e=E0+Emsint)； SE e 是输入光电流；iL是负载电流； ib是偏置电流； ij是结电容电 流； ig是光敏二极管反向漏电流。 式中各光电量均是复数值。 LgjbE gj bL L jLb iiiiS e ii ii u gj CGG 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 求解式(5-56)可得: (5-57) 式(5-57)可以改写成下述形式： (5-58) 式中，0为检测电路的时间常数，0 =Cj/(g+GL+Gb) 。 由式

7、(5-58)可见，检测电路频率特性不仅与光敏二极管参数Cj和 g有关，而且取决于放大电路的参数GL和Gb。 E L Lbj L L L S e u g GGj C u i R EE LbLb L j Lb 1 1 S eS e gGGgGG u Cj j gGG 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 对应检测电路不同工作状态，频率特性式(5-57)可有不同简化 形式。 1) 给定输入光照度，在负载上取得最大功率输出时，要求满足 RL= Rb和g Rb （如RL 10Rb ）和Gb g ，此时 (5-62) 时间常数和上限频率分别为 (5-63) 和 (5-64)

8、 bE 1j L R S e u 0bj R C HC bj 1 2 f R C 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 3) 电流放大时希望在负载上获取最大电流，要求满足RLRb时，有： K=SERb T1=1/1 ， 1为下限截止频率 T2=1/2 ， 2为上限截止频率 00L TC R 0EbL0 KTS R R C 0 12 11 L UjKj T Wj E jjTjT Egb gb S R R K RR 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 输入电路的振幅频率特性可表示为 (5-70) 将上式用对数表示，可得对数频率特性为

9、 (5-71) 式(5-71)的图解表示如图5-18c， 图中虚线表示实际对数特性， 折线是规整化特性。 0 2222 12 11 KT Wj TT 012 20lgj20lg20lg20lgWKTTT 图图5-18 c）光敏二极管对数频率特性光敏二极管对数频率特性 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 从图5-18c可看出，综合频率特性可分为三个频段： 1) 低频段( 1 =1/T1 ) ：此频段内的频率特性可简化为： (5-72) 相应对数频率特性曲线以20dB(10倍频)的斜率上升，在 =1 =1/T1处曲线变平， 曲线数值比中频段下降3dB， 称作下限截

10、止频率，这是检 测电路可能检测的低频信号 极限。 0 1 1 L Kj T Wj jT 图图5-18 c）光敏二极管对数频率特性光敏二极管对数频率特性 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 2) 中频段(1 1和T2 2 =1/T2 ) ：在此频段内，频率特性可简化为 (5-74) 对应的对数频率特性以-20dB(10倍频)的斜率下降，在 = 2 =1/T2处下降为3dB，该频率称作上限截止频率。 01 H 2 1 KT T Wj jT 图图5-18 c）光敏二极管对数频率特性光敏二极管对数频率特性 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动

11、态设计 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 两个基本要求：线性不失真（线性不失真（静态设计基本内容）和频率不频率不 失真失真（动态设计需解决的主要问题）。 快变复杂信号=若干不同谐波分量的叠加。对于确定的环节其 频率特性也是唯一确定的。对于多数检测系统，可以用其组 成单元的频率特性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。 为避免频率失真，检测电路通带应以足够的宽裕度覆盖住光 信号的频谱分布。 检测电路频率特性设计大致包括以下三个基本内容： 1) 对输入光信号进行傅里叶频谱分析，确定信号频率分布。 2) 确定多数光电检测电路的允许带宽和上限截止频率。 3

12、) 根据级联系统带宽计算法，确定单级检测电路的阻容参数。 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 例例5-2 用2DUl型光敏二极管和两级相同的放大器组成光电检 测电路。脉冲重复频率f=200Hz ，脉宽t0=0.5s，脉冲幅度1V， 设光敏二极管的结电容Cj=3pF，输人电路的分布电容C0=5pF, 设计该电路的阻容参数。 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 解解 1) 分析输入光信号频谱，确定检测电路总带宽。 根据傅里叶变换函数表,时序信号波形离散频谱分布如图5-19b。 谱线频率间隔： 频谱包络线零值点分布间隔： 选取频谱包

13、络线第二峰值（包含15个谐波成分）作为高频截 止频率 此时可以认为是不失真传输。 取低频截止频率为200Hz， 即fH=3MHz， fL=200Hz， 带宽f=3MHz 。 1200KHzfT 0 12MHzFt HC 200kHz 153MHzf 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 2) 确定级联各级电路的频带宽度。 根据设计要求，检测电路由输入电路和两级相同放大器级联 组成。设三级带宽相同，根据电子学中系统带宽计算公式，相 同n级级联放大器的高频截止频率fnHC为 (5-75) 将fnHC = 3MHz和n=3代上式，可算出单级高频截止频率fHC 类似地，

14、单级低频截止频率和多级低频截止频率之间关系为： (5-76) 对于fnLC = 200Hz ，可计算出fLC = 102Hz 。 1 nHCHC 21 n ff HC 1 3 3 6MHz 21 f LC nLC 1 21 n f f 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 3) 计算输入电路参数。 带宽为6MHz的输入电路应采用电流放大方式，利用前述有关 公式（5-67）可得： 选为2k。 RL亦为后级放大器输入阻抗，为保证RL Rb ，取 Rb =10RL =20k 。 耦合电容C由低频截止频率fLC决定： 因fLC = 102Hz，故C为： 取C =1F，对

15、于第一级耦合电容可适当增大10倍，取为10F 。 L 612 HCj0 11 k3.3k 2 6 108 102 R fCC LC bL 1 2 f RRC 32 1 F0.07F 6.28 22 1010 C 第五章第三节光电检测电路的动态设计第五章第三节光电检测电路的动态设计 4) 选择放大电路。 选用二级通用的宽带运算放大器，放大器输入阻抗Ri2k ， 放大器通带要求为6MHz，实际取为10MHz。 按上述估算得到的检测电路如图5-19c所示。输入电路直流电 源电压50V，低于2DUl型光敏二极管最大反向电压。并联的 500 F电容用以滤除电源的波动。为减少Cc电解电容寄生电 感的影响，

16、并联了Cp = 200 pF的电容。 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 两个来源：系统外部干扰噪声外部干扰噪声和内部噪声内部噪声。 外部干扰噪声来自市电、无线电台、电火花、脉冲放电、 机械振动、雷电、太空辐射源随机波动、光调制与光传输介 质的湍流和背景光起伏、杂光干扰等。对电磁干扰电磁干扰可以采用 适当的屏蔽、滤波等方法减小或消除；对光辐射干扰对光辐射干扰可以采 用稳定辐射源、遮断杂光、光学滤波、反馈控制、差动抑制 以及采用滤光片、偏振片等。 内部噪声主要由元器件中带电粒子的不连续性(粒子性)及 局部不均(涨落)造成，包括热噪声、散粒噪声、产生热噪声、散

17、粒噪声、产生-复合噪复合噪 声、声、1f 噪声噪声等，这些干扰是系统固有的，如何对内部噪声 进行抑制是微弱光电信号检测的重要任务。 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 一、噪声的类型一、噪声的类型 1热噪声热噪声 由耗散元件中电荷载流子的无规则热运动无规则热运动引起。任何 有电阻的材料都有热噪声。当电阻处于0K以上环境温 度条件下，自由电子的热运动将形成起伏变化的噪声噪声 电流电流。其大小与极性均在随机变化，其长时间的平均 值等于零。但在短时间间隔内，这些电流的随机起伏 就形成噪声电流。载流子均方速度与热力学温度成正 比，噪声电流随温度增高而增加，因此称为

18、热噪声。 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 热噪声电流常用均方值表示。在纯电阻情况下 (5-77) 电阻两端产生的噪声电压均方值为： (5-78) 可见，噪声功率与测量系统频率无关，在整个无线电频带内， 噪声功率谱密度属于白噪声。R=1k时，室温下，f =1Hz的 带宽内的方均根热噪声电压约为4nV。对于f =500kHz的系统， 若放大器增益为104，则放大器输出端可有约28mV的热噪声方 均根电压值。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。在微弱光信号探测中，如何减小热噪声的影响是 光电技术中的一个重要问题。 1 2 nT 4kT f

19、 I R 1 2 nT 4EkRT f 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 2散粒噪声散粒噪声 由载流子的微粒性引起。出现在光电子发射器件和光伏型器 件中，如PMT光阴极和二次电子发射，光伏器件中穿过PN结 的载流子涨落等。 散粒噪声电流均方值为： (5-79) 光电探测器的暗电流也同样引起散粒噪声，因此无光照时的 暗电流噪声为： (5-80) 据式(5-80)可见，散粒噪声与温度无关，属白噪声的一种。 1 2 nshDC 2IqIf 1 2 npp 2IqIf 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 3产生产生-复合噪声

20、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这两个随 机性过程，引起电流随机起伏而形成。是半导体辐射探测器件 中的一种主要噪声。该噪声的电流均方值为： (5-81) 由式(5-81)见，产生-复合噪声与频率f 有关，属于非白噪声。 在相对低频(即42f 221)条件下，公式可简化为： (5-82) 该式与散粒噪声表达式相类似，可近似认为是白噪声。有时把 / e=G 称为光电导器件内增益，上式又可写为： 1 2 e n 222 4 14 qIf I f 1 2 ne 4IqIf 1 2 n 4IqIG f 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 41

21、/f 噪声（闪烁噪声）噪声（闪烁噪声） 也是半导体辐射探测器件中的一种基本噪声，通常由元件中 局部缺陷或微量杂质引起。噪声电流通常表示为： (5-83) 式中，k1为比例系数，与器件制造工艺、电极接触情况、半导 体表面状态及器件尺寸有关；为与流过器件电流有关的常数， 常取为2；为与器件材料性质有关系数，对大多数材料可近 似取为1。因此式(5-83)可以写成： (5-84) 可见，该噪声的功率与电路频率成 f 反比。非白噪声，主要出 现在lkHz以下低频区。lkHz后，与其他噪声相比，可忽略不计。 采用较高调制频率可避免或大大减小1/f 噪声电流的影响。 1 2 1 n k If I f 1 2

22、 2 1 n k If I f 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 5温度噪声温度噪声 无辐射存在时，探测器在某一平均温度T0附近呈现一 个小的起伏，这种温度起伏引起的探测器输出起伏称 为温度噪声。为热敏探测器件的主要噪声，限制了热 敏探测器所能探测的最小辐射能量。该噪声可用温度 起伏的均方值表示： (5-85) 式中，GQ为器件的热导。 1 2 2 n 22 Q 4 1 kTf T G 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 小结： 上述噪声为光电探测器件本身所固有，不可消除； 具有随机起伏性； 覆盖频谱范围很宽； 与有

23、用信号同时存在，相互混淆，限制了检测系统 分辨率的提高。 光电检测电路设计中，需进行综合噪声估算，以确 保可靠检测所必需的S/N。 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 二、噪声的等效处理二、噪声的等效处理 噪声的等效处理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，以便与其他电路器件一起以 统一的方式建立起等效噪声电路。 1等效噪声带宽等效噪声带宽 为噪声量的一种表示形式，定义为最大增益矩形带宽，如图 5-20，可表示为： fe：等效噪声带宽；AP（f）：相对 功率增益； APM：功率增益最大值； D（f）：等效于电路输入端归一化 噪声

24、功率谱。 eP 0 PM 1 ( )( )fAf D f df A (5-86) 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 白噪声情况下， D（f） =1，则有： (5-87) 当电路频率响应为带通型时，上式可改写为： (5-88) 如图5-20， APM为中心频率上所对应的功率增益；当电路频率 响应为低频型时， APM即为零频上 的功率增益。 fe是虚线构成的等效矩形面积的 宽度， 称为等效噪声带宽，是网 络通过噪声能力的一种量度。 eP 0 PM 1 ( )fAf df A PMeP 0 PM 1 ( )AfAf df A 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑

25、制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 2阻容器件的噪声等效处理阻容器件的噪声等效处理 简单电阻的噪声等效电路如下图a，热噪声电流源IT和电阻R并 联。对于由两个电阻R1和R2串联或并联组成的合成电路，可 以证明，综合噪声电流等于合成电阻提供的噪声电流，并表 示为 (5-89) 串联时， R = Rs=R1 + R2 ，如下图b；并联时， R = Rp= R1 R2 / （R1 + R2），如下图c。 2 nT 4IkT f R 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 在更复杂情况下，先将所有电阻合成，画出简化电路，再根 据式(5-89)确定噪声等效电流源。

26、RC并联时，C的频率特性使合成阻抗随频率增加而减少。合成 电阻： (5-90) 因此，并联RC电路的噪声电压有效值为： (5-91) 式中1/（4RC），就是电路的等效噪声带宽 fe ，即： (5-94) 2 nT2 00 4d4d 12 4/(4) R UkTR ffkTf fRC kTRRC 2 12R fRfRC e 1 4fRC 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 (5-94) 结论：并联并联RC电路对噪声的影响相当于使电阻热噪声频谱分电路对噪声的影响相当于使电阻热噪声频谱分 布由白噪声变窄为等效噪声带宽布由白噪声变窄为等效噪声带宽 fe ，其物理

27、意义见图5-20。 频带变窄后的噪声非均匀分布曲线所包围的图形面积等于以 为 fe带宽，4kTR为恒定幅值的矩形区的面积。即用均匀等幅 等效带宽代替了实际噪声频谱的不均匀分布。因此，式(5-93) 可改写为： 此即阻容电路热噪声的一般 表示式。 e 1 4fRC 2 nTe 4UkTR f(5-95) 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 三、典型光电检测电路的噪声估算三、典型光电检测电路的噪声估算 估算目的估算目的: (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。 具体步骤：具体步骤：

28、(1) 确定检测器件和前级电路的噪声源； (2) 计算等效电路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、信噪比和最小输出 光功率值。 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 PMT整管噪声取决于光电阴极和倍增极的散粒噪声。阳极电流的微粒噪声 有效值表示为： (5-96) M：倍增系统放大倍数；：噪声增强因子，对静电聚焦型结构， =1.53.0。检测电路负载电阻RL上热噪声电流为： (5-97) 因此，RL上总噪声输出电流IN为： (5-98) 对大多数PMT检测电路，第二项热噪声同第一项散粒噪声相比很

29、小。例如， IA=10-10A，M=106108， RL =104105时，4kTRL2qIAM 。故IN变为： (5-99) 式中，阳极电流IA是暗电流Id 和光电流直流分量IA0的总和。 sAA 2IqI M f nTL 4/IKT fR NAL 24/IqI MfKT fR NA 2IqI Mf 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 检测阈值光照度的弱光时，IA0 =0，总噪声电流INm取决于暗电流Id ，有： (5-100) RL上噪声输出电压为： (5-101) RL上有并联电容时，由于 (5-102) 因此 (5-103) 阳极输出总信噪比SNR

30、A是直流光电流IA与噪声电流IN有效值之比，即 (5-104) Nmd 2IqI Mf NmdL 2UqI Mf R e 1 4 f RC e L 1 4 ff R C A A A 2 I SNR qI Mf 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 例例5-3 光电倍增管的阴极积分灵敏度SK=30A/lx，阳极积分灵 敏度SA=30A/lx ，输入电路是电阻R=105和电容C0=0.1F的 并联，阴极面积A为80mm2，要求信号电流为IL=10-4A，分别 计算等效噪声带宽和检测电路高频截止频率、阳极噪声电流、 负载电阻上的噪声电压和信噪比。 解解 1) 等效

31、噪声带宽和检测电路高频截止频率 e 57 0 11 Hz25Hz 44 1010 f RC HCe 0 12 15.9Hz 2 ff RC 第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制第五章第四节光电检测系统的噪声与抑制 2) 阳极噪声电流和负载上的噪声电压 散粒噪声电流 式中，令=2.5，则 热噪声电流 总噪声电流 负载上的噪声电压 3) 信噪比 1948 e 6 10 22 1.6 1010252.5A2.58 10 A 30 10 nsL IqI Mf 66 AK 1030 100.3 10MSS 1012 e nT 1.29 102.0 10A f I R 2228 NnsnTns 2.58

32、10 AIIII 853 NN 2.58 1010 V2.58 10 VUI R 4 4 L A 8 N 10 0.38 10 2.58 10 I SNR I 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 光电探测系统中，探测器输出信号很微弱，一般为微伏数量级， 只有经充分放大和耦合处理后才能记录下来。 一、前置放大电路的设计一、前置放大电路的设计 光电器件偏置电路输出信号较强时，设计主要应考虑增益、 带宽、阻抗匹配和稳定性等，再在此基础上考核噪声的影响。 信号很小时，设计低噪前放十分重要，尽力抑制噪声是考虑问 题的出发点。 选定探测器和相应偏置电路以后就可知所获信号和噪声

33、的大小。 用恒压源或恒流源来等效探测器和偏置电路的输出信号，如图 5-23。用源电阻的热噪声来等效探测器和偏置电路的总噪声， 用最小噪声系数原则设计前放。 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 1前置放大器的设计步骤前置放大器的设计步骤 由于光电探测器不同、要求不同以及设计者思考方式不同，前 放电路型式差别很大，一般步骤大致如下： 1) 测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻Rs。 2) 从噪声匹配原则出发，选择前置放大器第一级的管型： Rs 100，可采用变压器耦合； 10 Rs1M，选用半导体晶体管； 1kRs1M，选用运算放大器(OPAMP)； 1kRs 1M

34、，选用MOS场效应晶体管(MOS-FET)。 3) 管型选定之后，第一、二级应采用噪声尽可能低的器件，按 最佳源电阻原则来确定管子工作点，并进行工作频率、带宽等 参量的计算及选择。 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 2放大器频率及带宽的确定放大器频率及带宽的确定 参量选择时，需从减小噪声影响原则出发，正确选择工作频率及带宽。 1）根据光电探测器噪声谱和选定放大器典型噪声谱，确定工作频率。 典型探测器噪声谱如图5-24a，低频时主要是1/f 噪声，随频率增高而减小。 频率继续升高则进入以散粒噪声等白噪声形式为主区域。频率应选在此区 域中。典型晶体管放大器噪声系数F

35、的频率特性如图5-24b，综合考虑，工 作频率应选在两者共同的噪声较低的频区中。 实际选择工作频率时还需考虑探测器频率特性，应选在灵敏度开始下降的 频率之前，即频率不应选择得过高。 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 2) 按白噪声特点，工作频率选定后，应尽可能减小电路带宽。 这是减小噪声影响的重要措施，可采用选频放大、锁相放大等 技术。 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，除确定必要窄带外，可采用设计选通积分器 方法来抑制噪声。具体做法：在选通时间内，把信号取出并经 积分器积分，而积分作用对噪声来说是取平均值，对信号来说 是

36、叠加增强，从而达到抑制噪声、提高信噪比目的。 4) 在某些系统如脉冲系统中，为保持信号波形，必须采用带 宽较宽的处理电路，电路系统频率特性由滤波器带宽决定。如 要保持矩形脉冲波形，则要求无限宽带宽，即使在白噪声情况 下，带宽增宽，噪声功率也要按正比增加，从而使信噪比下降。 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 3前置放大器的噪声前置放大器的噪声 1）放大器的噪声模型）放大器的噪声模型 放大器中每一个元件工作时都是一个噪声源，很难单独从噪 声观点进行分析。简化的放大器噪声模型如图5-25。放大器 内所有噪声源都折算到输入端，即一个串联在输入端的噪声 电压源Un和一个与

37、输入端并联的噪声电流源In 。其中，Un的 阻抗为零，In的阻抗为无限大。放大器内部则成为一无噪声 放大器，Un和In可通过测量得到。如此等效后，对放大器内 部噪声过程的研究可简化为分析Un和In在电路中的作用。图 5-25模型称为放大器Un-In模型。 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 2) 等效输入噪声等效输入噪声 采用Un-In噪声模型后，信号源与放大器组成的系统的噪声源 可归结为三个：Un、In和Ut，其共同作用效果可以用等效输入 噪声Uni表示。 为得到Uni与Un、In和Ut 的关系，必须求得各噪声源在放大器输 出端产生的总噪声电压。 图5-25所示

38、放大器输入端噪声电压为： （5-105） 设放大器电压增益为Au ，则放大器输出端总噪声为： （5-106） 1 2 222 222 nti nis i22 sisi UUZ I Z R U RZRZ 1 2 222 222 nti nis nouiu22 sisi UUZ I Z R UAUA RZRZ 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 从信号源到放大器输出端的传输函数称为系统增益Kt (5-107) Us：输入电压信号； U0：放大器输出电压信号，并且： (5-108) 因此 (5-109) 可见，系统增益Kt与放大器电压增益Au不同， Kt不仅与放大器 有

39、关，还与信号源内阻有关。 t0s KUU si 0u si U Z UA RZ ui t si A Z K RZ 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 3) 噪声系数噪声系数 理想无噪放大器输出端噪声仅为放大了的输入端噪声。由于 实际放大器本身存在噪声，故其输出噪声必然大于理想情况。 为正确评价放大器噪声特性，常用估计参量为噪声系数F 放大器输出端总输出噪声功率与源电阻在放大器输出端噪声功 率之比： (5-113) Kp：放大器功率增益； Ppi：放大器输入噪声功率，即源电阻 产生的噪声功率； Kp Ppi表示源电阻在放大器输出端产生的噪 声功率。 no Pni P

40、 F K P 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 根据等效输入噪声Uni的定义，将放大器所有噪声源都折算到 信号源处，即： (5-110) 将式(5-107)代入上式，得： (5-111) 此为等效输入噪声一般表示形式，适用于任何有源网络。式 中Ut是源电阻热噪声： (5-112) ninot UUK 2222 nintnS UUUI R ts 4UkTRf 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 4前置放大器的低噪声设计前置放大器的低噪声设计 设计时主要应考虑耦合网络、反馈电路和偏置电路噪声影响，并尽可能实 现光电探测器与前置放大器的噪

41、声匹配。 (1) 探测器与前置放大器耦合网络的设计探测器与前置放大器耦合网络的设计 探测器与前置放大器通过耦合方式连接，耦合网络中包含的串联或并联阻 抗元件都将引人附加的噪声。为使附加噪声的影响可以忽略，设计时应遵 循以下三条准则： 1）对于耦合网络中的串联阻抗元件，应使： (5-114) Rcs和Xcs：串联的阻性和容性阻抗。 2）对于耦合网络中的并联阻抗元件，应使： (5-115) Rcp和Xcp：并联的阻性和容性阻抗。 3）为减小电阻元件的过量噪声，噪声网络中电阻两端直流电压应尽量减小。 过量噪声电阻中流过直流电流时产生的1/f 噪声。 csnn csnn RUI XUI cpnn cp

42、nn RUI XUI 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 (2) 负反馈电路的影响负反馈电路的影响 负反馈常被用来改善电路性能。通过噪声性能分析可发现，任何反馈网络 的存在都会使放大器噪声性能下降。串联反馈的影响，等效于反馈合成电 阻(反馈支路的总电阻)与信号源(探测器)串联；并联反馈的影响等效于反馈 合成电阻与信号源的并联。根据耦合网络低噪声条件，为减小反馈电路对 放大器噪声性能影响，要求： 1) 对于串联负反馈，反馈合成电阻应远小于Un/ In 2) 对于并联负反馈，反馈合成电阻应远大于 Un/ In 上述条件称为反馈电路的低噪条件低噪条件。 (3) 低噪声运

43、算放大器的选用低噪声运算放大器的选用 低噪前放设计中，现在一般直接选用直接选用性能优良的低噪运放(如OP2427 3437227系列或AD797等)，一般不再单独进行设计。选择时，既要 考虑运放参数中给出的噪声电压，还要根据式(5-111)考察信号源内阻和运 算放大器的噪声电流。也可利用用分贝表示的放大器噪声系数NF对信号源 内阻的曲线进行直观选择。 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 二、光电耦合电路设计二、光电耦合电路设计 实际光电检测电路系统中，不可避免地存在各种干扰信号。 对于模拟电路，可采用各种滤波、屏蔽、接地等技术，有效 降低各种干扰影响，保证光电测量

44、的准确性和可靠性。而对 于各种数字电路，例如光电开关电路、光电脉冲电路等，常 常会带来比模拟电路更严重的干扰噪声。若电路抗干扰能力 差将导致测量、控制准确性的降低，产生误动作，从而带来 破坏性后果。因此，一般不能采用直接馈入输入方法，否则 系统工作将很不安全。 光电耦合与隔离技术是一种简便且行之有效的方法，其技术 关键就是破坏“地”干扰传播途径，切断干扰信号进入光电 检测电路及后续电路系统的途径，可有效地提高系统的抗干 扰能力。硬件上常用光耦合器件实现。 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 1光耦合器原理光耦合器原理 光耦合器件是把发光器件(如发光二极管)和光敏器

45、件(如光敏 晶体管)组装在一起，通过光线实现耦合构成电-光和光-电的 转换器件。图5-26为常用晶体管型光耦合器原理图。当电信号 送入光耦合器输入端Ui时，发光二极管通过电流而发光，光 敏晶体管受到光照后导通并产生电流；当输入端无信号，发 光二极管不亮，光敏晶体管截止。 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 光耦合器能有效抑制尖脉冲和各种噪声干扰，提高信噪比，主要原因有： 1) 耦合器输入阻抗很小耦合器输入阻抗很小，只有几百，而干扰源阻抗较大（105106）。据 分压原理，即使干扰电压幅度较大，但馈送到光耦合器输入端噪声电压会 很小，只能形成很微弱电流不能使LED发

46、光，从而被抑制掉。 2) 耦合器输入回路与输出回路之间无电气联系，也无共地耦合器输入回路与输出回路之间无电气联系，也无共地；各种噪声都难 以通过光耦合器馈送到另一边，避免了共阻抗耦合干扰信号的产生。 3) 输入端是LED，干扰信号即便幅值很高，也因无足够能量不能使LED发 光，从而抑制了高峰尖脉冲冲击，使来自光电器件或输入电路各种干扰噪 声都被挡在输入回路。 4) 耦合器可起到很好的安全保障作用。输入/输出回路间可以承受几kV高压。 5) 光耦合器响应速度极快光耦合器响应速度极快，响应延迟时间：10s。 6) 输入信号在电平上不必与TTL或CMOS完全兼容，也不必设置电平转换电 路。无论输入值

47、多大，都可通过调整限流电阻Ri大小，使耦合器件内部 LED导通或关断电流。 7) 若光敏管基极有引出线，可设计相应电路满足温度补偿、检测调制要求。 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 2数字信号光电耦合电路数字信号光电耦合电路 光电耦合电路设计的关键是要保证光耦合器两端的电路载电器上完全隔离保证光耦合器两端的电路载电器上完全隔离， 否则将失去采用光耦合器的意义和作用。 (1) 输入电路设计输入电路设计 常用光耦合器输入电路形式如图5-27。 对于光电器件或光电输入电路输出信号较强情形，可直接驱动光耦合器的 LED，如图5-27a、b，其中图a）为高电平驱动，输入信

48、号为高电平时光耦 合器导通；图b）为低电平驱动，输入信号为低电平时光耦合器导通。当输 入信号较弱时，可以采用图c）形式，通过增加一个晶体管增大驱动电流， 保证光耦合器的LED被点亮。 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 (2) 输出电路设计输出电路设计 图5-28为常用晶体管型光耦合器输出电路形式。图a为同相输出形式，输出 电平与输入电平极性相同。当输入高电平信号送入光耦合器输入端Ui时， LED通过电流而发光，光敏元件受到光照后导通，输出Uo与电源Upp相同， 为高电平“1”。图b为反相输出形式，输出电平与输入电平极性相反。当输 入高电平信号送入光电耦合器输入端

49、Ui时，LED通过电流而发光，光敏元 件受到光照后导通，输出Uo与地电平相同，为低电平“0”。图c为电流放大 输出形式，可提高电路稳定性和可靠性。 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 3模拟信号光电耦合电路模拟信号光电耦合电路 某些场合，例如生物信号检测、工业现场测试、高压信号检测 等，测量系统往往需对模拟电信号进行有效隔离。前述各种光 电耦合电路中存在明显非线性和温漂，不适于模拟信号的隔离。 主要原因： LED本身存在非线性，流过LED的电流与输入电压信号不 满足线性关系； LED存在死区电压，只有当输入信号大于死区电压时，光 耦合器才能有输出信号； LED管压

50、降受温度影响较大，导致输入与输出关系漂移。 模拟信号对光耦合器的基本要求，就是具备较宽的线性范围。 光耦合器中的LED和光敏晶体管存在着一定线性工作范围。经 实际测试找到此线性段，加上合理设计光电耦合电路，完全可 实现模拟信号的线性隔离和传输。 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 图5-29为一种简易模拟信号线性光电隔离电路示意图，光 耦合器的LED被接入运算放大器的负反馈回路中，此时流 经LED的电流为： (5-116) 显然，I与输入电压Ui有关，且为线性关系。通过仔细调 节电阻Ri，使光耦合器处于线性段，便可以实现模拟信号 的线性隔离传输。 i1 IUR 第

51、五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及光耦合电路 为进一步提高线性度，需采用反馈技术设计隔离电路。图5-30中采用两个 规格和特性完全相同的光耦合器PH1和PH2。 PH1用于隔离传输，PH2用于 反馈控制。两者并联使用，驱动端串联，由同一电流驱动。由于PH1和PH2 完全相同，因此电流I1= I2 。由于I2 = Ui / R1 ， I1 = Uo/ Rf，因此有： (5-117) 显然，输出电压与输入电压成严格线性关系。与此同时，该电路还具有较 好温度补偿特性， 可在一定程度上补偿 温度波动造成的漂移。 f oi 1 R UU R 第五章第五节前置放大及光耦合电路第五章第五节前置放大及