光电检测电路的带宽和频率特性

1、光学信号变换光学信号变换光电信号变换光电信号变换电学信号变换电学信号变换光电检测器件光电检测器件：光电变换：光电变换 核心核心偏置电路偏置电路：连接光电检测器件和前置放大及耦合电路的中：连接光电检测器件和前置放大及耦合电路的中间环节，为光电器件提供正常的电路工作条件，同时完成与间环节，为光电器件提供正常的电路工作条件，同时完成与前置放大及耦合电路的电路匹配。前置放大及耦合电路的电路匹配。前置放大及耦合电路前置放大及耦合电路：输入信号的精确检测：输入信号的精确检测基本任务基本任务光电检测电路光电检测电路u偏置电路设计（静态设计）偏置电路设计（静态设计）u频率响应设计（动态设计）频率响应设计（动态

2、设计）u噪声特性设计噪声特性设计 10.1.1 检测电路的基本结构和技术要求检测电路的基本结构和技术要求1. 1. 带宽的含义带宽的含义K ( f )ffLCfHC70.7%100%Df = fHC fLC fHC10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽带宽带宽ff 太小，频率失真太小，频率失真 （波形失真）（波形失真）f 太大，噪声大太大，噪声大 （例：热噪声）（例：热噪声）电路带宽电路带宽f 根据根据信号的频谱特性信号的频谱特性来确定来确定 2. 2. 带宽对信号质量的影响带宽对信号质量的影响带宽选择的原则：带宽选择的原则： 保持信号频谱中绝大部分能量通过而削掉部保持信号频谱中绝大部分能

3、量通过而削掉部分频谱能量较低的高频分量。尽量做到在不分频谱能量较低的高频分量。尽量做到在不失真的情况下提高信噪比。失真的情况下提高信噪比。 载波频率为载波频率为f0调制频率为调制频率为F电路带宽电路带宽D Df 2F 2fBFD正弦调正弦调幅幅：21ffBmFD正弦调正弦调频频：T Ttd2 2）脉冲波信号的带宽分析）脉冲波信号的带宽分析 td脉冲宽度脉冲宽度dmd2( )022tAtS ttTt，0n01( )cos 2nS tbbnf td0 dnm0 d2sin tn f tbATn f t脉冲波频谱分析脉冲波频谱分析脉冲重复频率f0 = 200kHz，脉宽td=0.5s 2 2）脉冲波

4、信号的带宽分析）脉冲波信号的带宽分析 主要能量在第一过零点内，周期主要能量在第一过零点内，周期性矩形脉冲信号的带宽为：性矩形脉冲信号的带宽为： 传送的矩形脉冲的脉冲宽度越传送的矩形脉冲的脉冲宽度越窄，要求电路的带宽也越大。窄，要求电路的带宽也越大。 0n01( )cos 2nS tbbnf td0 dnm0 d2sin tn f tbATn f tT1主要频谱能主要频谱能量范围量范围0d1 /nf t 0d1/Bn ftB0sin00ddtfntfnT Ttddtfn0电路带宽增大，信号峰电路带宽增大，信号峰值功率增加值功率增加常数常数电路带宽增大，噪声功率电路带宽增大，噪声功率增加增加最佳带

5、宽最佳带宽最佳带宽最佳带宽要求信噪比高：要求信噪比高：要求脉冲形状好：要求脉冲形状好：正弦调制信号正弦调制信号: : Ff2D脉冲波信号：脉冲波信号： d1(0.25 0.75)ftDtd为脉冲宽度为脉冲宽度 振幅调制振幅调制：Fmff12D频率调制频率调制：要求信噪比高：要求信噪比高：要求脉冲形状好：要求脉冲形状好：d14ftD（ 1 ）1光电检测电路的高频特性光电检测电路的高频特性 耦合电容对高频信耦合电容对高频信号可视为短路号可视为短路tEEemsin0输入光照度：输入光照度：由图可得：由图可得：giCjiGiGiUiiiieSgjjbbLLLgjbLEjbLELCjGGgeSU10.1

6、.3 光电检测电路的频率特性分析与设计光电检测电路的频率特性分析与设计1光电检测电路的高频特性光电检测电路的高频特性 10.1.3 光电检测电路的频率特性分析与设计光电检测电路的频率特性分析与设计jbLELCjGGgeSU)(1bLjbLEGGgCjGGgeS耦合电容对高频信耦合电容对高频信号可视为短路号可视为短路1光电检测电路的高频特性光电检测电路的高频特性 10.1.3 光电检测电路的频率特性分析与设计光电检测电路的频率特性分析与设计jGGgeSUbLEL1称为检测电路的时间常数称为检测电路的时间常数 bLjGGgC其中可见检测电路的频率特性，可见检测电路的频率特性，不仅与光电二极管的参数

7、不仅与光电二极管的参数Cj和和g 有关，还取决于放大电有关，还取决于放大电路的偏置电阻和负载路的偏置电阻和负载检测电路的上限截止频率检测电路的上限截止频率：21HCfa 给定输入光照度，在负载上取最大功率输出给定输入光照度，在负载上取最大功率输出 满足的条件是：满足的条件是： RL=Rb, gGb2jLCRjLHCCRf1bLjGGgC21HCfLbmEmGGgESUbLGgGb 负载上取最大电压输出：负载上取最大电压输出：RLRb, gGbjbCRjbHCCRf21bLjGGgC21HCf 为从光电二极管中得到足够的信号功率和电压，负载电阻为从光电二极管中得到足够的信号功率和电压，负载电阻R

8、L和和Rb不能很小。但过大的阻值又使高频截止频率下降，不能很小。但过大的阻值又使高频截止频率下降，降低了通频带宽度，因此负载的选择要根据增益和带宽的要降低了通频带宽度，因此负载的选择要根据增益和带宽的要求综合考虑。求综合考虑。 c 负载上取最大电流输出：负载上取最大电流输出：RLRb, 且且g很小很小jLCRjLHCCRf21bLjGGgC21HCf 在电流放大的情况下，负载在电流放大的情况下，负载RL取得很小，由后级放大取得很小，由后级放大得到足够的信号增益，因此，可以采用低输入阻抗、高增得到足够的信号增益，因此，可以采用低输入阻抗、高增益的电流放大器使检测器工作在电流放大状态，以提高频益的

9、电流放大器使检测器工作在电流放大状态，以提高频率响应。率响应。jeSRuELL12jLHCjLCRfCR120jeSRuEbL1jbHCjbCRfCR210jeSRuELL1jLHCjLCRfCR2101) 1) 给定光照度给定光照度 输出最大功率输出最大功率 2) 2) 输出最大电压输出最大电压 3) 3) 输出最大电流输出最大电流 2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 目的：使检测电路具有足够宽的频率响应，以便能对复杂的目的：使检测电路具有足够宽的频率响应，以便能对复杂的瞬变光信号或周期性光信号进行无频率失真的变换和传输。瞬变光信号或周期性光信号进行无频率失真的变换和传输

10、。 方法：快速变化的光信号可以看作是若干不同谐波分量的叠方法：快速变化的光信号可以看作是若干不同谐波分量的叠加。信号的频率失真会使某些谐波分量的幅度和位相发生变加。信号的频率失真会使某些谐波分量的幅度和位相发生变化导致合成波形的畸变。为避免频率失真，保证信号的全部化导致合成波形的畸变。为避免频率失真，保证信号的全部频谱分量不产生非均匀的幅度衰减和附加的相位变化，频谱分量不产生非均匀的幅度衰减和附加的相位变化，检测检测电路的通频带应以足够的宽裕度覆盖住光信号的频谱分布。电路的通频带应以足够的宽裕度覆盖住光信号的频谱分布。 2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 检测电路频率特性的

11、设计大体包括下列的三个基本内容：检测电路频率特性的设计大体包括下列的三个基本内容： 1）对输入光信号进行傅里叶频谱分析，确定信号的频谱分布）对输入光信号进行傅里叶频谱分析，确定信号的频谱分布2）确定多级光电检测电路的允许通频带宽和上限截止频率。）确定多级光电检测电路的允许通频带宽和上限截止频率。3）根据级联系统的带宽计算方法，确定单级检测电路的阻容）根据级联系统的带宽计算方法，确定单级检测电路的阻容参数。参数。121nHCnHCff12/1nLCnLCff例：用例：用2DU1型光电二极管和两极相同的放大器组成光电检型光电二极管和两极相同的放大器组成光电检测电路。被测光信号的波形如图测电路。被测

12、光信号的波形如图a所示，脉冲重复频率所示，脉冲重复频率f=200kHz，脉宽，脉宽t0=0.5s，脉冲幅度，脉冲幅度1V，设光电二极，设光电二极管的结电容管的结电容Cj=3pF，输入电路的分布电容，输入电路的分布电容C0=5pF，为保，为保持较好的脉冲形状输出，设计该电路的阻容参数。持较好的脉冲形状输出，设计该电路的阻容参数。例：用例：用2DU1型光电二极管和两极相同的放大器组成光电检型光电二极管和两极相同的放大器组成光电检测电路。被测光信号的波形如图测电路。被测光信号的波形如图a所示，脉冲重复频率所示，脉冲重复频率f=200kHz，脉宽，脉宽t0=0.5s，脉冲幅度，脉冲幅度1V，设光电二极

13、，设光电二极管的结电容管的结电容Cj=3pF，输入电路的分布电容，输入电路的分布电容C0=5pF，设计，设计该电路的阻容参数。该电路的阻容参数。分析光信号频谱，确定检分析光信号频谱，确定检测电路的总频带宽度测电路的总频带宽度解：解： 周期为周期为T1/f的方波脉冲时序信的方波脉冲时序信号，其频谱是离散的，谱线的频号，其频谱是离散的，谱线的频率间隔为率间隔为f1/T200kHz频谱包络线零值点的分布间隔为频谱包络线零值点的分布间隔为F1/t02MHzd14ftD（ 1 ）电路带宽电路带宽（准确保持脉冲形状）（准确保持脉冲形状）选取频谱包络线的第二峰值选取频谱包络线的第二峰值作为信号的高频截止频率

14、，作为信号的高频截止频率， fHC3MHz 频谱的零频分量为信号的直流成份，不影响变化的波形。频谱的零频分量为信号的直流成份，不影响变化的波形。但为交流放大利用阻容耦合电路隔直。取低频截止频率为但为交流放大利用阻容耦合电路隔直。取低频截止频率为200Hz，带宽近似为，带宽近似为F3MHz。 确定级联各级电路的频带宽确定级联各级电路的频带宽MHzffffnnHCHCnHCnHC6121211HzffffnnLCLCnHCnLC1021212/11计算输入电路参数计算输入电路参数取取Rb(1020)RL，即，即Rb10RL20k 级间耦合电容级间耦合电容C值是由低频截止频率决定：值是由低频截止频率决定：计算为计算为C0.07F，取为，取为C1F，对于第一级耦合电容可适当增大对于第一级耦合电容可适当增