改 3.3探测器中的噪声

1、第三节第三节 光电探测器的噪声光电探测器的噪声噪声的表示方法噪声的表示方法噪声分类噪声分类探测器噪声探测器噪声噪声等效电路噪声等效电路(b)(c)探测器放大器示波器(a)光入射光功率较大时：入射光功率较大时：正弦信号正弦信号降低入射光功率，增大放大率：降低入射光功率，增大放大率：带毛刺的正弦信号带毛刺的正弦信号入射光功率再降低时：入射光功率再降低时：正弦波幅度被噪声完全埋没正弦波幅度被噪声完全埋没对入射光功对入射光功率正弦调制率正弦调制随机的，瞬间的幅度不能预知的起伏，其长时间的随机的，瞬间的幅度不能预知的起伏，其长时间的平均值为零。平均值为零。所以不能用其平均值表示噪声所以不能用其平均值表示

2、噪声噪声的基本概念噪声的基本概念噪声的表示方法噪声的表示方法均方噪声均方噪声 均方根噪声均方根噪声 时域时域 频域频域 功率谱功率谱 均方噪声均方噪声 多个噪声源多个噪声源（互不相关）（互不相关） 222212nknnniiii 总220221 ( ) ( )( )Tnnii tidtTi tiit 平平均均平平均均代表代表电阻上产生的功率电阻上产生的功率201 ( )TPi tiRdtT 平平均均只有均方噪声具有叠加特性只有均方噪声具有叠加特性均方根噪声均方根噪声 1222( )nniit 这正是我们用电流表所这正是我们用电流表所测量到的那种有效电流测量到的那种有效电流22n022n02n0

3、1( )1( )1( )TTTPRiRi tdtTii tdtTii tdtT 有有效效有有效效有有效效功率谱功率谱S(fS(f) )噪声自相关函噪声自相关函数的傅立叶变换数的傅立叶变换 22( )nniit 代表频率为代表频率为f的噪声的噪声在在电阻上产生的功率电阻上产生的功率均方噪声均方噪声 代表各种频率噪声的集合代表各种频率噪声的集合在在电阻上产生的功率电阻上产生的功率2( )niS f df2niSf均方噪声与功率谱联系均方噪声与功率谱联系 功率谱为常数：功率谱为常数： 功率谱不为常数：功率谱不为常数： ff为频带宽度为频带宽度 用等效带宽用等效带宽ff表述表述 2( )niS ff

4、01mfS f dfS 噪声分类：噪声分类： 噪声噪声影响信号（特别是弱信号）的测量和处理影响信号（特别是弱信号）的测量和处理探测器的噪声探测器的噪声1热噪声热噪声2. 散粒噪声散粒噪声3产生复合噪声产生复合噪声 41/f 噪声噪声 5温度噪声温度噪声 1热噪声热噪声(Johnson噪声噪声)热噪声是由于载流子的瞬时热运动而引起电流或热噪声是由于载流子的瞬时热运动而引起电流或电压的瞬时扰动。电压的瞬时扰动。 22nrnr44kTiSff ,ukTRfRf为测量的频带等效宽度，R为器件输入电阻实部 热噪声：热噪声： 白噪声白噪声2. 散粒噪声（散粒噪声（Shot噪声）噪声）它犹如射出的散粒无规则

5、地落在靶上所呈现的起它犹如射出的散粒无规则地落在靶上所呈现的起伏。这种随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声。伏。这种随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声。光电管中的光电子从阴极表面逸出的随机性；光电管中的光电子从阴极表面逸出的随机性；PNPN结中载流子通过结区的随机性；结中载流子通过结区的随机性；入射到探测器上的光子的随机性入射到探测器上的光子的随机性2ns2eiSfIfI为器件输出平均电流为器件输出平均电流 散粒噪声：白噪声散粒噪声：白噪声 3产生复合噪声产生复合噪声在半导体器件中，在一定温度和光照下，瞬间在半导体器件中，在一定温度和光照下，瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的，于是载载流子的产生数

6、和复合数是有起伏的，于是载流子浓度的起伏引起电导率的起伏，由此造成流子浓度的起伏引起电导率的起伏，由此造成器件输出电流的噪声叫做复合噪声器件输出电流的噪声叫做复合噪声 产生复合噪声不再是产生复合噪声不再是“白白”噪声？噪声？ 222041 (2) nIiS fffNf I总平均电流，N0总的自由载流子数，载流子寿命，f测量噪声的频率 41/f 噪声噪声1/f 噪声通常又称为电流噪声噪声通常又称为电流噪声 也称为闪烁噪声或过剩噪声也称为闪烁噪声或过剩噪声 2nfcIiS ffff低频区：低频区： 300Hz以下以下机理目前机理目前尚不清楚尚不清楚a a、由实验测量、由实验测量 5温度噪声（热探测

7、器独有）温度噪声（热探测器独有）热探测器中由于器件本身吸收和传导等的热交换热探测器中由于器件本身吸收和传导等的热交换引起的温度起伏引起的温度起伏 Gt为器件的热导，为器件的热导，t=Ct/Gt为器件的热时间常数为器件的热时间常数222412nttkTtfGf221tf224ntkTftG低频低频低频温度噪声也有白噪声性质低频温度噪声也有白噪声性质光电倍增管：散粒噪声、光电倍增管：散粒噪声、1/f1/f噪声噪声光敏电阻：热噪声、产生光敏电阻：热噪声、产生复合噪声、复合噪声、1/f1/f噪声噪声光伏器件：光电流、暗电流的散粒噪声、光伏器件：光电流、暗电流的散粒噪声、PNPN结漏结漏电阻电阻RshRsh的热噪声的热噪声热探测器：温度噪声、热噪声热探测器：温度噪声、热噪声噪声等效电路噪声等效电路光电探测器光电探测器放大电路放大电路放大电路放大电路VsR放大电路放大电路IsRIs放大电路放大电路R2ni放大电路放大电路Is