光电探测器的放大电路.ppt

1、1，4.2光电探测器的放大电路，4.2.1放大器的噪声模型，4.2.2多级放大器的噪声影响，4.2.3放大器的选择，4.2.4放大器的外部电路设计，参考书：方志浩，高金章晶体管低噪声电路，赵玉安微弱信号检测，张宇光电信号检测原理与技术，2，光电探测器及其偏置电路，耦合低噪声前置放大器，多级放大系统，反馈电路，光学检测电路原理图，放大器偏置电路，后级信号处理电路， 放大器的噪声模型，4，设计高质量的低噪声前置放大器，我们需要知道：信号特征噪声的特征噪声分析方法，首先，放大器的设计前提，为此，5，2。 放大器1的噪声。放大器的EnIn噪声模型、(a)、(b) En-In模型、Vs信号源、Zi放大器

2、的输入阻抗、RS信号源的内阻、Ens为热噪声En为RS的噪声电压源、In为噪声电流源、Av放大器的电压增益、利用En-In模型的优点：(1)简化了电路系统的噪声计算。(2)模型的实验基础：通过实验测量可以得到en和In的具体尺寸。6、Vs信号源、Zi放大器的输入阻抗、RS信号源的内阻、ensRS的热噪声、En噪声电压源、in noise currEnt源、Av放大器的电压增益、Eni放大器输入端的噪声电压、Vso放大器的输出端电压、Eno放大器输出端的总噪声、(c)、(b)、Vso、Eno、使用En进一步考虑这三个噪声源的共同作用，我们将它们等效地归属于信号源的位置，并用单个噪声源代替原系统的

3、所有噪声源，称为等效输入2.等效输入噪声。Q:如何获得等效输入噪声Eni？7。根据电路叠加原理，放大器输出端各噪声源的贡献为：恩的贡献为：恩的贡献为：恩的贡献，因的贡献，8。如果输入和输出不相关，总输出噪声为：)，9。可以看出，放大器的输入阻抗没有出现在等效输入噪声的表达式中。由于采用了EnIn模型，放大器被认为是无噪声的。这样的无噪声网络不会改变整个系统的噪声性能。无噪声放大器的所有参数(包括输入阻抗)不应再出现在Eni表达式中。采用恩-因模型的另一个原因是该模型中使用的参数易于测量。首先，源电阻Rs的热噪声Ens可以从电阻的热噪声公式中得到；其次，计算放大器前电路的开路输出噪声电压(或短路

4、输出噪声电流)。然后，等效输入噪声电压Eni通过将其转换到源位置获得。10，(1)测量En。放大器输入短路，即Rs0(Ens和InRs均为零)，放大器输出端噪声电压的均方根值为AvEn，En通过Av分频获得；(2)测量英寸。取一个大电阻作为源电阻(或放大器输入端的开路电阻)，即Rs无穷大(InRs)，测量放大器输出端的噪声电压，以AvsInRs表示，然后除以AvsRs即可进入。测量en的实验方法，in: 11。3.放大器的噪声系数。实际上，通常需要测量放大器、元件或系统的噪声性能。系统的噪声性能不仅指系统本身组件产生的噪声，还指它对信号的影响程度。由于Eni的表达式包含源电阻Rs及其热噪声项，

5、因此Eni不应用作衡量指标。另一方面，同时使用En和In很麻烦。因此，在噪声分析中，噪声系数通常被用作衡量放大器或元件或系统噪声性能的指标。为了定义噪声系数NF，首先给出了信噪比的定义。信噪比：输出端的信号功率与噪声功率之比，简称信噪比，是输出端的信号功率与输出端的噪声功率之比，13.2。噪声系数：输出端总噪声功率源电阻产生的输出噪声功率，F=，即从输出端的角度来看，14，(2)推导公式1，总等效输入噪声功率输入源电阻噪声功率，F=，除以Kp上下，即放大器噪声始终存在且F大于1的原因，从输入端的角度来看，15，(3)推导公式2，放大器输入噪声功率输入源电阻噪声功率。输入端的信噪比和输出端的信噪

6、比F=，不是Eni。此时，输入端的噪声功率只是源电阻产生的热噪声功率，写为：单位为分贝，电压表示为：Q: F或NF。放大器噪声系数的定义表示信号通过放大器后信噪比的恶化程度：如果放大器是一个理想的无噪声线性网络，其输入端的信号和噪声以同样的方式放大，即输出端的信噪比与输入端的信噪比相同，因此F=1或NF=0dB；如果放大器本身有噪声且没有滤波功能(如前置放大器通常不采取限带措施)，信号和噪声在经过放大器后被同等放大，输出噪声功率等于放大的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和。对于这样的放大器，信号放大后，信噪比不能提高，输出端的信噪比低于输入端。根据上面推导出的噪声系数表达式，从上面的公式可

7、以看出，F是四个变量en、in、Rs和F的函数。放大器设计完成后，En和In基本不变，F只是Rs和F的函数。最佳源电阻Ropt与放大器的最小噪声系数Fmin、噪声等效带宽之间的关系为19，F与Rs之间的关系为放大系统的噪声等效带宽。在前置放大器中，一般认为输入噪声带宽等于F，增加F可以降低F，但如果不相等，例如输入噪声带宽大于F，增加F会增加等效输入噪声Eni，这对提高整个系统的信噪比非常不利(见4.3节SNIR)，所以不能采用增加B的方法。对于某个放大器，我们只能通过改变源电阻来降低其噪声系数。当Rs增加时，第二项减少，第三项增加；当Rs减少时，第二项增加，第三项减少。因此，f有一个极值。2

8、0，偏导数：get:因此，当信号源的内部电阻等于放大器的源电阻时，噪声系数f得到最小值、这与功率匹配不同！当信号源的内部电阻等于放大器的最佳源电阻值时，放大器添加到检测电路的噪声最小，这意味着实现了信号源和放大器之间的噪声匹配。这是低噪声设计的一个重要原则。此时的源电阻被称为放大器的最佳源电阻，它被写成Ropt。当Rs=Ropt时，放大器的噪声系数可以降至最低。此时，源电阻和放大器的配置称为“噪声匹配”，这是低噪声设计的一个重要原则。噪声系数的概念仅适用于线性电路(线性放大器)。对于非线性电路，不仅不能获得线性放大，而且会出现信号与噪声、噪声与噪声的相互作用。即使电路本身不产生噪声，输出端的信

9、噪比也不同于输入端。因此，噪声系数的概念不能应用。上述公式仅适用于纯电阻信号源，放大器En和In的噪声无关。更一般地说，它是复源和复相关，也就是说，信号源不是纯电阻器件；复阻抗为Z=RsjXs放大器En，In；黑色因此，用等效输入噪声电压来测量纯电抗源前置放大器的噪声性能。也就是说，EnIn模型用于计算。参见教材P267公式，噪声系数的几种解释，23、噪声匹配示例：示例：热电偶；热电探测器；反向极化光电二极管，-常见器件的最佳源电阻分布示意图，24、5。噪声匹配，1。与输入变压器的噪声匹配(1)应用对象：适用于解决信号源电阻小于最佳源电阻时的噪声匹配问题。(2)原则：选择合适的转化率；25.采

10、用并行放大方法实现噪声匹配；n个相同的放大器并联连接；如下图所示，这种方法相当于减少，使，26。6。噪声温度相当于热噪声法；噪声温度的概念是，当温度为T1时，放大器电路的内部噪声被认为是由信号源的内部电阻Rs产生的噪声。也就是说，如果在放大器的输入端串联一个电阻，它的大小等于信号源的电阻Rs，并且它上面产生的热噪声等于放大器本身(不包括源)在某一温度T1下的噪声，那么温度T1被称为放大器的噪声温度。放大器的噪声系数为：1.放大器的噪声温度为27。当Ti=0时，F=1意味着放大器本身不产生噪声，是一个理想的无噪声放大器。当Ti=T，F=2(NF=3dB)时，这意味着放大器本身产生的噪声等于信号源

11、输入的噪声。28、Ti和f都可以表征放大器的内部噪声，这两种表示没有本质区别。它通常用于计算放大器电路的噪声系数和噪声温度之间的转换。通常，噪声温度可以准确比较放大器的内部噪声。例如，当T=290K F=1.12，Ti=35K F=1.21，Ti=61K时，噪声系数之间的差值仅为0.09，而Ti和Ti之间的差值为26K。从噪声系数的角度来看，两个放大器之间差别不大，但从噪声温度的角度来看，它们之间差别很大。因此，当噪声非常低时，可以通过噪声温度的表达式更清楚地显示放大器电路的噪声性能。噪声温度的应用噪声温度的表达式相当于热噪声，它可以描述热噪声和其他噪声，也可以用来描述噪声源温度不相等时的噪声

12、。这个表达式的重要特征是所有的噪音都是由温度的变化引起的。例如，当源电阻匹配时，计算输入网络R1、R2和R3的等效输入噪声温度。计算步骤如下：(1)计算输出端各电阻的热噪声贡献，并将其加总为总输出噪声；(2)等效输入噪声通过总输出噪声除以系统增益获得；(3)输入网络本身在源端的等效输入噪声是通过减去源端的热噪声得到的，然后将其转换为源端电阻在温度t1时的热噪声。(1)最佳源电阻是信号源的参数还是前置放大器的参数？它的表达是什么？公式中的每一项代表什么？什么是噪声匹配？(2)积分运算OP07E的噪声参数En10.3nV和In0.32pA是已知的，当它应用于Rs100k、f1Hz和T300k时，计

13、算NF和Eni的值。(3)根据以下条件判断哪个器件产生的等效输入噪声最小：a、当它处于Rs10k时，它的nf测量为NF20dB。b在Rs1M，测量的nf为NF20dB。31，4.2.2多级放大器的噪声影响，32，Pni为输入噪声功率，即源的噪声功率；Pn是输出端放大器内部噪声的体现；Pno是输出端的总噪声功率；Kp是放大器的功率增益。根据噪声系数f的定义，我们可以得到：1。单级放大器的噪声系数F、F、Pn、Kp，注意它不等于之前的等效输入噪声！但是(Ens)2，33，2。多级放大器的噪声系数f，总输出噪声功率Pno为，总输出噪声系数f为，34、考虑到第一级放大器单独连接到信号源，噪声功率和噪声

14、系数为：考虑到每个放大器单独连接到信号源，它为：可以得出结论，噪声系数是：这是多级放大器噪声系数理论的弗里斯公式。从该公式可以看出，如果第一级的功率增益Kp1较大，多级放大器的噪声系数主要取决于第一级放大器的噪声系数F1。在设计中，为了降低多级放大器的噪声系数，功率放大系数Kp1第一阶段应尽可能增加；将第一级的噪声系数降至最低是指导我们设计低噪声前置放大器的另一个重要原则。如果第一级的功率增益不是很大，降低噪声系数的关键是使该级具有高增益和低噪声。36、4.2.3低噪声前置放大器的选择、37、1。EnA是用低噪声运算放大器的En和In计算的。许多制造商只提供噪声的频谱密度函数。当Rs较大时，它

15、起着相对较大的作用。我们不仅要比较环境网络，还要考虑资源网络和环境网络。一般来说，放大器的NF值是根据系统的(Vs/Eni)比的要求来选择的。应当注意，NF和Eni的值与源电阻和带宽f密切相关。带宽f由系统的需求决定，并由系统中的某个组件决定，例如带通滤波器或前置放大器本身。2.根据Eni和Vs，选择前置放大器，39。如果你选择1号放大器，它不符合标准；如果选择2号放大器，则满足要求。如果其他条件不变，带宽将被压缩，使f=1Hz。经过计算，可以知道1号放大器也可以应用。因此，压缩带宽非常有利于克服噪声，但在某些情况下压缩带宽可能会丢失信息，因此压缩带宽有时必须付出一定的代价。例如，经计算，1号

16、和2号前置放大器的相关数据如下表所示：如果测量信号为Vs=1V，f=100Hz，Rs=100，系统要求：如何计算？T=300K，40。从NF-Rs曲线，我们可以清楚地看到在应用频率范围内源电阻Rs和NF之间的关系：当源电阻为10k时，OP-07的NF约为4dB，而LMC662的NF约为11dB，因此OP07应该被选中；相反，当源电阻为10M时，OP-07的NF为19.08分贝，而LMC662的仅为0.025分贝，因此选择LMC662。因此，OP-07适用于低内阻信号源，而LMC662适用于高阻抗信号源的低噪声放大。3.利用低噪声运算放大器的NF-Rs曲线选择运算放大器，制造商一般在其产品手册中提供特定测试条件下的NF-Rs曲线、OP-07的NF-Rs曲线和LMC662的NF-Rs曲线。NF的表达式如下：选择不同的rs和F，测量Eni(正弦波法和噪声发生器法)制造商在测量中