低噪声前置放大器的选用.ppt

1 1光电信号检测与处理技术第二章 第二节低噪声前置放大器的选用2 2光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计问题的提出问题的提出 提高系统信噪比途径：提高系统信噪比途径：光学方法光学方法 电学方法电学方法 热力学方法热力学方法 3 3光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计问题的提出问题的提出 信号光很弱时，探测器的输出信噪比很低信号光很弱时，探测器的输出信噪比很低探测器噪声探测器噪声电路噪声电路噪声“雪上加霜雪上加霜”4 4光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计 前置前置放大器噪声放大器噪声电路电路噪声噪声5 51.根据噪声系数根据噪声系数(dB)计算计算EniNF=10lgF （dB）用分贝表示：用分贝表示：求出求出Eni：6 6113113113113型低噪声前置放大器的型低噪声前置放大器的型低噪声前置放大器的型低噪声前置放大器的NNNNF F F F等值图等值图等值图等值图 2.NF图的应用 7 72.NF图的应用 采用噪声采用噪声采用噪声采用噪声发发发发生器或正弦波法，生器或正弦波法，生器或正弦波法，生器或正弦波法，测测测测出不同出不同出不同出不同R Rs s和和和和f f0 0条件下条件下条件下条件下的一系列的一系列的一系列的一系列N NF F值值值值，标标标标在坐在坐在坐在坐标图标图标图标图上。上。上。上。8 82.NF图的应用（1 1）从）从）从）从N NF F图图图图中，可以中，可以中，可以中，可以选择选择选择选择N NF F最小的最小的最小的最小的R Rs s和和和和f f0 0的范的范的范的范围围围围。（2）结合探测器的）结合探测器的Rs和系统的带宽范围。和系统的带宽范围。NF图为正确选图为正确选择前置放大器提供了依据。择前置放大器提供了依据。（3）利用）利用NF图还可以计算出最小可检测信号（图还可以计算出最小可检测信号（MDS）的）的大小，大小，MDS的定义为折合到放大器输入端的的定义为折合到放大器输入端的Eni。9 93.利用利用NF图图，计计算算Eni，根据根据Eni和和Vsi来选用前置放大器来选用前置放大器根据系统对根据系统对(Vsi/Eni)的比值要求来选定放大器的的比值要求来选定放大器的NF值值 1010不同不同R Rs s、f f、N NF F值值情况下的情况下的E Eninif、Rs标 号1号NF=20 dB2号NF=3 dBEniRs=100f=100Hz130nV18nVRs=100f=1Hz13nV1.8nV如果被测信号为如果被测信号为Vsi=1 V，f=100Hz，Rs=100，若要求系统的若要求系统的Vsi/Eni10。计算选用哪个放大器？。计算选用哪个放大器？4.根据根据Eni和和Vsi来选用前置放大器（一）来选用前置放大器（一）11114.低噪声运算放大器的选用（二）（1 1）选选用用 和和 均小的运算放均小的运算放大器大器（2）在）在Rs大的情况下，大的情况下，起着比较大的作用起着比较大的作用（3）计算）计算Eni再和再和Vs比较。然后根据比较。然后根据Psi/Pni（或（或Vsi/Eni）的）的要求决定运算放大器是否符合要求。要求决定运算放大器是否符合要求。*（2）可根据）可根据 IB，计算计算 12121313实例计算例如，例如，例如，例如，OP07OP07OP07OP07和和和和LMC662LMC662LMC662LMC662在在在在1kHz1kHz1kHz1kHz时的时的时的时的 和和和和 分别为分别为分别为分别为:OP079.6nVHz-1/2120fAHz-1/2LMC66222nVHz-1/20.113fAHz-1/2n当当Rs=50k，且工作在，且工作在1kHz条件下，选条件下，选哪一种运算放大器可使哪一种运算放大器可使 小些（假定小些（假定带宽为带宽为 f=1kHz，T=290K）?1414补充：偏置电路和负反馈电路的噪声影响（1）并联负反馈的噪声贡献等效于负反馈合）并联负反馈的噪声贡献等效于负反馈合成电阻与探测器的并联成电阻与探测器的并联与探测器并联的阻抗元件，应满足与探测器并联的阻抗元件，应满足 R RcpcpEEn n/I/In n X XcpcpEEn n/I/In n 其其中中Z Zcpcp=R Rcpcp+jX+jXcpcp，R Rcpcp和和X Xcpcp分分别别为为并并联联的的阻阻性性和容性阻抗。和容性阻抗。1515补充：偏置电路和负反馈电路的噪声影响（2）串联负反馈的噪声贡献等效于负反馈合）串联负反馈的噪声贡献等效于负反馈合成电阻与探测器的串联成电阻与探测器的串联与探测器串联的阻抗元件，应满足与探测器串联的阻抗元件，应满足 R RcscsEEn n/I/In n X XcscsEEn n/I/In n其其中中Z Zcscs=R Rcscs+jX+jXcscs，R Rcscs和和X Xcscs分分别别为为串串联联的的阻阻性性和容性阻抗。和容性阻抗。1616（3）接口电路电阻两端的直流电压应尽接口电路电阻两端的直流电压应尽量减小，以减小电阻元件的量减小，以减小电阻元件的1/f 噪声噪声。补充：偏置电路和负反馈电路的噪声影响补充：偏置电路和负反馈电路的噪声影响1717补充：偏置电路和负反馈电路的噪声影响1818电压串联负反馈和电压并联负反馈补充：偏置电路和负反馈电路的噪声影响补充：偏置电路和负反馈电路的噪声影响1919综合举例有一光有一光导导型型PbS探探测测器，在室温下工作，其器，在室温下工作，其内阻范内阻范围为围为100200 k，信号的，信号的频频率范率范围围为为01000Hz（即（即 f=1kHz，f0=500Hz），），Vsi为为50500 V,试为试为其其设计设计一低噪声前置放一低噪声前置放大器，要求大器，要求KV 20，等效，等效输输入噪声入噪声Eni 10 V（保（保证证）。）。20201.电源电压电源电压 尽量减少电源种类，即偏置电源和放大器尽量减少电源种类，即偏置电源和放大器的电源电压尽量一致。的电源电压尽量一致。2.有源器件的选择有源器件的选择3.选择电路形式选择电路形式2121例：例：热电偶热电偶；光电池等（信号源电阻较小）光电池等（信号源电阻较小）-常用器件最佳源电阻分布示意图 例：例：热电阻、热电阻、PIN光电二极管（信号源电阻较大）光电二极管（信号源电阻较大）2.有源元器件（运放）的选择有源元器件（运放）的选择22223.选择电路形式，进行参数选择设计选择电路形式，进行参数选择设计n电压串联负反馈；电压并联负反馈电压串联负反馈；电压并联负反馈n反相比例放大电路不会引入共模干扰，反相比例放大电路不会引入共模干扰，但容易引入电阻的热噪声；同相比例放但容易引入电阻的热噪声；同相比例放大电路容易实现低噪声设计。大电路容易实现低噪声设计。