光电检测电路的带宽和频率特性PPT讲稿.ppt

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1、光电检测电路的带宽和频率特性第1页，共27页，编辑于2022年，星期四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间环：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，同时完成与前置放节，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。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光电检测电路光电检测电路第2页，共27页，编辑于2022年，星期四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

2、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第3页，共27页，编辑于2022年，星期四1.1.带宽的含义带宽的含义K(f)ffLCfHC70.7%100%D Df=fHC fLC fHC10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽第4页，共27页，编辑于2022年，星期四带宽带宽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

3、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分频保持信号频谱中绝大部分能量通过而削掉部分频谱能量较低的高频分量。尽量做到在不失真的情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。况下提高信噪比。第5页，共27页，编辑于2022年，星期四3.3.如何确定检测电路带宽？如何确定检测电路带宽？1 1）正弦波检测电路的带宽）正弦波检测电路的带宽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 正弦调正弦调幅幅：正弦调正弦调频频：第6页，共27页，编辑于2022年，星期四T Ttd2 2）脉冲波信号的

4、带宽分析）脉冲波信号的带宽分析 td脉冲宽度脉冲宽度第7页，共27页，编辑于2022年，星期四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 第8页，共27页，编辑于2022年，星期四2 2）脉冲波信号的带宽分析）脉冲波信号的带宽分析 主要能量在第一过零点内，周期性矩主要能量在第一过零点内，周期性矩形脉冲信号的带宽为：形脉冲信号的带宽为：传送的矩形脉冲的脉冲宽度越窄，传送的矩形脉冲的脉冲宽度越窄，要求电路的带宽也越大。要求电路的带宽也越大。主要频谱能量范围T Ttd第9页，共27页，编辑于2022年，星期四电路带宽增大，信号峰值电路带宽增大，信号峰值功率增加功率

5、增加常数常数电路带宽增大，噪声功率增电路带宽增大，噪声功率增加加最佳带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：3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？第10页，共27页，编辑于2022年，星期四3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？正弦调制信号正弦调制信号:脉冲波信号：脉冲波信号：td为脉冲宽度为脉冲宽度 振幅调制振幅调制：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：第11页，共27页，编辑于2022年，星期四1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

6、视为短路号可视为短路输入光照度：输入光照度：由图可得：由图可得：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第12页，共27页，编辑于2022年，星期四1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耦合电容对高频信号耦合电容对高频信号可视为短路可视为短路第13页，共27页，编辑于2022年，星期四1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称为检测电路的时间常数称为检测电路的时间常数 可见检测电路的频

7、率特性，不可见检测电路的频率特性，不仅与光电二极管的参数仅与光电二极管的参数Cj和和g 有关，还取决于放大电路的偏有关，还取决于放大电路的偏置电阻和负载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：第14页，共27页，编辑于2022年，星期四a 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,gGb第15页，共27页，编辑于2022年，星期四b 负载上取最大电压输出：负载上取最大电压输出：RLRb,g g g g g2)2)输出最大电压输出最大电压 R R R RL L L L R R R Rb b b b G

8、G G Gb b b b g g g g3)3)输出最大电流输出最大电流 R R R Rb b b b R R R RL L L L g g g g 很小很小很小很小R R R RL L L L 和和和和 R R R Rb b b b 的选取的选取的选取的选取 考虑增益和带宽考虑增益和带宽考虑增益和带宽考虑增益和带宽光电检测电路的频率特性光电检测电路的频率特性第18页，共27页，编辑于2022年，星期四2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，以便能对复杂的瞬变光信目的：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

9、行无频率失真的变换和传输。号或周期性光信号进行无频率失真的变换和传输。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。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化导致合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，保证信号的全部频谱分量不产成波形的畸变。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，生非均匀的幅度衰减和附加的相位变化，检测电路的通频带应以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。足够的宽裕度覆盖住光信号的频谱分布。第19页，

10、共27页，编辑于2022年，星期四2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参）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。数。第20页，共27页，编辑于2022年，星期四例：用例：用2DU1型光电二极管和两

11、极相同的放大器组成光电检测电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，设光电二极管的结电容，设光电二极管的结电容Cj=3pF，输，输入电路的分布电容入电路的分布电容C0=5pF，为保持较好的脉冲形状输出，设计该电路，为保持较好的脉冲形状输出，设计该电路的阻容参数。的阻容参数。第21页，共27页，编辑于2022年，星期四例：用例：用2DU1型光电二极管和两极相同的放大器组成光电检测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

12、如图电路。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，设光电二极管的，设光电二极管的结电容结电容Cj=3pF，输入电路的分布电容，输入电路的分布电容C0=5pF，设计该电路的阻容，设计该电路的阻容参数。参数。分析光信号频谱，确定检测电分析光信号频谱，确定检测电路的总频带宽度路的总频带宽度解：解：周期为周期为T1/f的方波脉冲时序信号，的方波脉冲时序信号，其频谱是离散的，谱线的频率间隔为其频谱是离散的，谱线的频率间隔为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/t02MHz第2

13、2页，共27页，编辑于2022年，星期四电路带宽电路带宽（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作选取频谱包络线的第二峰值作为信号的高频截止频率，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。但为交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，带宽近似为似为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第23页，共27页，编辑于2022年，星期四计算输入电路参数计算输入电路参数取取Rb(1020)R

14、L，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大10倍，取电容值为倍，取电容值为10F。由输入电路的由输入电路的 确定输入电路形式确定输入电路形式电流放大电流放大电流放大时电流放大时第24页，共27页，编辑于2022年，星期四选择放大电路选择放大电路 选用二级通用的宽带运算放大器，放大器输入阻抗小于2k，放大器通频带要求为6MHz，取为10MHz。输入级电路输入级电路 前置放大器前置放大器后续放大器后续放大器6MHz6MHz6MHz第25页，共27页，编辑于2022年，星期四第26页，共27页，编辑于2022年，星期四第27页，共27页，编辑于2022年，星期四