光电检测技术10

1、第六章 光电信号检测电路设计6.1、缓变光信号检测电路设计6.2、交变光信号检测电路设计6.3、光信号检测电路噪声估算6.4、光电信号的放大电路,2,噪声特点：随机性 处理方法：统计分析 噪声源 外部噪声：外部条件变化引起的，可采取抗干扰措施改善或消除 内部噪声：器件本身带来的，无法消除 噪声干扰的分析和微弱信号的提取:核心问题 噪声估算 提高信噪比,6.3 光电信号检测电路的噪声估算,3,一、检测电路的噪声等效处理,热噪声 电子的无规则热运动形成的瞬时无规则电流 电子运动速率与绝对温度成正比,6.3 光电信号检测电路的噪声估算,纯电阻时,温度一定时,热噪声只与电阻和通带有关。带宽愈大,噪声功

2、率愈大。同时，通频带对白噪声有抑制作用。,散粒噪声 光辐射中光子到达率和由它激励形成的光电子数的随机起伏所造成的(如光电子逸出和流过PN结载流子数的随机性) 散粒噪声的量值不取决于温度，而由流过器件的平均电流决定,噪声电流及负载电阻上的电压的有效值为,4,一、检测电路的噪声等效处理,输入电路噪声：光电器件噪声、电路器件噪声 噪声等效电路：为了计算方便，将各种器件噪声等效为相同形式的均方值（或有效值）电流源的形式,6.3 光电信号检测电路的噪声估算,电阻等效电路 简单电阻：由热噪声电流源ISQRT（4KTf/R）和电阻并联 合成电阻：综合噪声电流等于合成电阻提供的噪声电流 ISQRT（4KTf/

3、R），R=R1+R2(串联)，或R=R1R2/(R1+R2)(并联) 更复杂电路，应先将所有电阻合成，画出简化电路，然后再确定噪声等效电流源,5,一、检测电路的噪声等效处理,6.3 光电信号检测电路的噪声估算,并联阻容电路(电阻R和电容C并联) 合成电阻： 噪声电压有效值,变换积分变量使tg2fRC，有,噪声等效带宽fe：fe1/4RC,并联RC电路对噪声的影响相当于使电阻热噪声的频谱分布由白噪声变窄为等效噪声带宽fe,6,噪声估算目的 确定器件和电路的固有噪声电平 计算信噪比 估算出为保证可靠检测所必须的最小输入光功率值 噪声估算的具体步骤是 首先确定检测器件和前级电路的噪声源； 其次计算等

4、效电阻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； 最后根据噪声等效电路计算噪声输出电压、信噪比和最小输入光功率值。,二、典型光电检测电路的噪声估算,6.3 光电信号检测电路的噪声估算,7,光电倍增管检测电路的噪声估算,光电倍增管阳极电流的散粒噪声有效值,负载电阻R上的热噪声电流,负载电阻上总的噪声输出电流,阈值光通量时有IA00，此时的总噪声电流INm取决于暗电流Id,负载电阻R上的噪声输出电压,负载电阻R上有并联电容C时的 噪声等效带宽ffe1/4RC,阳极输出总信噪比SNRA是直流光电流IA与噪声电流有效值IN之比值,灵敏阈smin是暗电流噪声电流有效值INm与阳极灵敏度之比

5、值,比灵敏阈,8,6.4 光电信号的放大电路,光电检测器件所接收光信号十分微弱，往往深埋在噪声中 放大器的任务 放大光电检测器件所输出的微弱信号 匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗 对放大器的要求 低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力 良好的线性和抗干扰能力 结构紧凑、良好的接地与屏蔽,9,一、放大器噪声,放大器的En-In噪声模型 放大器内所有噪声源折算到输入端：En串联、In并联,6.4 光电信号的放大电路,定义等效输入噪声电压,放大器噪声系数 是衡量前置放大器噪声性能好坏的指标,噪声系数习惯上用分贝(dB)表示,低噪声设计的目的是使NF值尽可能小,10,最佳源电阻和最小

6、噪声系数 满足 时的Rs称为最佳源电阻,此时F有最小值,而,级联放大器的噪声系数和等效输入噪声,仍然采用噪声系数评价 主要由第一级噪声系数F1决定,信号源电阻等于最佳源电阻时,噪声系数最小,称为噪声匹配 通常最佳源电阻不等于匹配电阻,11,低噪声前置放大器与普通放大器区别:满足噪声指标 设计要求 正确选取器件和工作点,注意满足信号源阻抗与放大器间的噪声匹配 考虑电路的组态、级联方式及负反馈等以满足对放大器增益、频响、输入输出阻抗等方面的要求 采取避免外来干扰的多种措施,二、前置放大器的低噪声设计,6.4 光电信号的放大电路,12,1 噪声匹配的方法,1、有源器件的选取 晶体管、场效应管、运算放

7、大器 信号源电阻较小时选用晶体管，较大时采用场效应管 PNP晶体管适较小源电阻，NPN晶体管适于较大源电阻 2、采用输入变压器实现噪声匹配 适于信号源电阻小于最佳源电阻时的噪声匹配 3、利用并联放大器的方法实现噪声匹配,二、前置放大器的低噪声设计,13,浮地技术 改多点接地为单点接地 浮地端用一电阻或电容接地 双屏蔽技术,3、低噪声放大器的屏蔽与接地,二、前置放大器的低噪声设计,4、低噪声电路对电源的要求,高稳定度 良好的共模干扰电压抑制能力,2 无源器件的选取,无源器件 电阻、电容、耦合变压器,14,三、检测电路和放大电路的连接,1电流放大型,15,2电压放大型,16,3阻抗变换型 将高阻抗

8、电流源变换成低阻抗电压源,然后再与负载相连,17,作业,1.光电检测电路的静态计算和动态计算包括哪些内容？它们对检测电路的工作有何要求？ 2.光电二极管有哪些可能实现的电路方式？各种工作状态有什么特点？对检测电路有什么要求？ 3.在10kHz和1MHz带宽内,计算T=300K时两个电阻R1=1k, R2=500k串联和并联时的热噪声电压. 4.设光电倍增管的阴极灵敏度为20A/lm,每一级的二次电子倍增系数=3,当入射光通量为 时,阳极输出电流为150A.计算带宽f=1Hz时的输出噪声电流、等效噪声功率和阳极输出信噪比. 5.已知一个放大器的 ，试求：1） 2）若所用探测器Rd=50 ，试问要得到低噪声放大器，有哪些可行措施？,6.光通讯系统中,发射端功率10mW,光传输到