第4部分光电信号检测电路.ppt

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1、第4部分光电信号检测电路 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望主要内容主要内容1光电检测电路的设计要求2光电信号输入电路的静态计算3光电信号检测电路的动态计算4光电信号检测电路的噪声5前置放大器6光电检测电路举例通常的光电检测电路组成通常的光电检测电路组成光电器件输入电路前置放大器光电器件是实现光电转换的核心器件，是沟通光学量和电子系统的接口环节，把被测光信号转换成相应的电信号。输入电路是为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换，同时完成和前置放大

2、器的电路匹配。前置放大器将光电器件输出的微弱电信号进行放大，同时匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。1光电检测电路的设计要求设计原则：根据光电信号的性质、强弱、光学的和器件的噪声电平以及输出电平和通频带等技术要求来确定电路的连接形式和电路参数，保证光电器件和后续电路最佳的工作状态。使整个检测电路满足下列要求：1.灵敏的、较强的光电转换能力：光电灵敏度。2.快速的动态响应能力：频率响应及选择特性。3.最佳的信号检测能力：信噪比(SNR)、等效噪声功率(NEP)。4.长期工作的稳定性和可靠性：2光电信号输入电路的静态计算静态计算法是对缓慢变化的光信号采用直流电路检测时使用的设计方法，由于光电检测

3、器件的非线性伏安特性，所采用的方法包括非线性电路的图解法和分段线性化的解析法。按照伏安特性的基本性质可分为三种类型：恒流源型、光伏型和可变电阻。下面以光电二极管或光电池为线索分别介绍各种工作状态下的电路计算方法。1612840 5 10 15M1200800400040 80 120543210200 400 600 800 1000光电倍增管光电二极管光电三级管4.2.1 恒流源型器件光电信号输入电路在工作电压较小时，曲线呈弯曲，存在一个转折点M，随电压增大，输出电流变化不大，趋于恒流。与晶体管集电极特性曲线类似，可以采用晶体管放大器类似的方法分析。区别在于光电流控制输出电流，而光电流是由输

4、入光功率控制的。1、图解计算法：利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。负载线方程：UUbRLI负载线与对应输入光通量为0时的器件的伏安特性曲线交点Q，即为输入电路的静态工作点，当0改变时，在负载电阻RL上产生的 电压信号输出和 的电流信号输出。图解法适用于大信号状态下的电路分析，在大信号状态下，可定性地输出信号的波形畸变。在做光电开关情况下，可借助图解法合理地选择电路参数，如最大工作电流、最大工作电压和最大耗散功率。图中给出了Ub不变时，RL的大小对输出信号的影响：输入光通量变化时，负载电阻的减小会增大输出信号电流，而减小输出电压。同时负载电阻的减小会受到最大工作

5、电流和功耗的限制。而过大的RL又使输出负载线进入非线性区，使输出信号波形畸变。图解法的应用：1、负载电阻的影响分析：图解法的应用：2、偏置电压的影响分析：功耗限制图中给出了RL 不变时，Ub的大小对输出信号的影响：当偏置电压增大时，输出信号电压幅度也随之增大，线性度得到改善，但电路的功耗随之加大，过大的偏置电压会引起光电二极管的反向击穿。利用图解法确定输入电路的负载电阻和反向偏置电压大小时，应根据输入光通量的变化范围和输出信号的幅度要求使负载线稍高于转折点M，以便得到不失真的最大电压输出，同时保证反向偏压不大于器件的最大工作电压Umax。1.由和I选择RL和Ub超过转换点M，以便有最大不失真电

6、压输出。2.同时保证Ub不大于器件最大工作电压Umax2、解析计算法：对光电器件的非线性伏安特性进行分段折线化，称为折线化伏安特性。折线化的画法一折线化的画法二折线化的画法折线化伏安特性可用下列参数确定：转折电压U0对应于曲线转折点M处的电压值。初始电导G0非线性区近似直线的初始斜率。结间漏电导G线性区各平行直线的平均斜率。光电灵敏度S单位输入光功率所引起的光电流值。P为输入光功率Ip为对应的光电流折线化的分析原则：利用折线化的伏安特性，可将线性区内任意Q点处的电流值I表示为两个电流分量的和：Id-为与二极管端电压U成正比，由结间漏电导形成的无光照电流（暗电流）。Ip为与端电压无关，仅取决于输

7、入光功率的光电流。有：那么理想的光电二极管等效电路可表示为：折线化伏安特性的分析：在输入光通量变化范围minmax为已知的条件下，用解析法计算输入电路的工作状态：1、确定线性工作区域：由最大输入光通量的伏安曲线弯曲处即可确定转折点M。相应的有转折电压U0和初始电导G0，在线段MN有关系：由此可得：或2、计算负载电阻和偏置电压：为保证最大线性输出条件，负载线和与对应的伏安曲线效点不能低于转折点M。设负载线通过M点，可得关系：当Ub已知时，可得负载电导GL或电阻RL：当RL已知时，可得偏置电源电压Ub为：3、计算输出电压幅度：在输入光通量由min变化到max时，输出电压幅度为：由图中M和N点电流值

8、计算：联合求解：求得U：3、计算输出电流幅度：输出电流幅度：由下式可得：通常 ，上式可简化为：4、计算输出电功率：由功率关系：可得：4.2.2 光伏型器件光电信号输入电路0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-0.2-0.4-0.6-0.8光伏型器件伏安曲线等效电路光伏型器件伏安曲线如图示，位于第四象限，器件的端电压U和电流I的方向相反对外电路形成电势，具有赋能元件的性质。这类器件主要是光电池和光电池工作状态下的光电二极管。光电池输出电流有下列形式：将光电池的伏安特性转到第一象限，即规定电流的正方向，则伏安特性可表示为：或1、光伏型器件输入电路的形式：无偏置型、反向偏置型和太阳能电池充电电

9、路2、无偏置输入电路的静态计算电路方程：图解法分析：负载线与给定光通量0对应的伏安曲线的交点即为工作点Q。Q点对应的U和I即为RL上的输出电流和电压。光通量变化时形成相应的输出电流变化和输出电压变化。光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析：如图中光通量从1增加到2时，在短路状态RL=0时，输出电流增量I=Isc2-Isc1，输出电压为0。随着RL的增大，电压增大。负载进一步增大，电压饱和，电流变小。也就是说存在一个临界电阻RM，经过RM之后，负载上电压变为饱和，输出电流逐渐减小。当处于最佳临界负载RM时，光通量较小时，负载上输出电流和电压近似随光通量成正比增加，而当光通量较大时，输出电流和电压逐

10、渐呈现饱和。负载越大情况越明显。PUIRLU、I、PRMO另外，可以定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态（U、I、P）的影响：由下图可见，根据选用负载电阻的数值可以把光电池的工作状态分作：短路或线性电流放大、空载电压输出、线性电压放大和功率放大四个区域。1、负载电阻较小时，即I区间。光电池处于短路或线性电流放大，可实现电流变换。后续电流放大级可从光电池中吸取最大的输出电流。光电流与光通量有良好的线性关系：和优点：在短路状态下，器件噪声电流较低，改善信噪比，适于微弱光信号检测。同时与受光面积成正比。2、负载电阻较大时，即IV区间。光电池处于断路或空载电压输出，实现一种非线性电压变换。光电

11、池应通过高输入阻抗变换器与后续放大器连接，相当于输出开路。输出电压：优点：光电池输出电压的变化不需加偏置电源即可组成控制电路，实现光电开关作用。且较小光通量即可实现较大开路电压的变化，对弱光检测有利。但容易受温度影响，频率特性不理想。输出电压小。输出电压与受光面积的对数成正比。通常光电池的开路电压为通常光电池的开路电压为0.450.450.6V0.6V，在入射光强从零到某一，在入射光强从零到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中简单地利用定值作跳跃变化的光电开关等应用中简单地利用U Uococ的电压变化的电压变化不需加任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的优点。不需加任何偏置电源即可组成控制电路

12、，这是它的优点。此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开路电压此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利。输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利。这种使用方式的频率特性不好，受温度影响也较大，这是它的这种使用方式的频率特性不好，受温度影响也较大，这是它的不足之处。不足之处。3、在II区间，可得到线性电压输出，在串联的负载电阻上得到与输入光通量近似成正比的信号电压，负载增大可提高输出电压。但超过RM 值时输出信号发生非线性畸变。RM值的确定：对 展开幂级数已知IsR时，UL负载电流与光敏电阻阻值无关，近似保持常数。表明：输出信号取决于

13、光敏电阻和负载电阻的比值，与偏压成正比。电路信噪比高，适于高灵敏度测量。但偏置电压高达100V以上，这给使用带来不便。通常用晶体管代替负载电阻（降低偏置电压）实现恒流偏置。选取RLR时，加在光敏电阻上的电压近似为电源电压Ub，与RL无关。输出信号电压为：适用于检测器本身噪声较大时。适用于检测器本身噪声较大时。其中：其中：S=GS=G是光敏电阻的电导变化量，是引起是光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因。信号输出的原因。上式表示恒压偏置的输出信号与光敏电阻值无关，上式表示恒压偏置的输出信号与光敏电阻值无关，仅取决于电导的相对变化。仅取决于电导的相对变化。这样，检测电路在更换光敏阻值时对电路初

14、始状态这样，检测电路在更换光敏阻值时对电路初始状态影响不大。影响不大。这是该电路的优点。这是该电路的优点。电桥输入电路（避免可变电阻型器件受环境温度的影响常采用电桥电路）（避免可变电阻型器件受环境温度的影响常采用电桥电路）电桥在无辐射照射时，电桥平衡条件：输出电压Uo等于0。电桥在有辐射照射在RT1上时，温度升高引起电阻变化可表示为：此时电桥失去平衡，有电压输出为：在弱辐射作用下，RRb式中：输入电路的振幅频率特性：对数频率特性：规整化特性规整化特性实际对数特性实际对数特性对数频率特性高频段综合对数频率特性可分为：1、高频段（2=1/T2）2称为上限截止频率。检测电路中的高频衰减主要是因为电路

15、中各电容容抗随的增加而减少，电容分流作用的加大使输出信号变小。对数频率特性等效电路对数频率特性等效电路0为这段频率的中心频率。频率满足T11和T21。相应的频率特性为：可见，中频段范围内输入电路可看作理想的比例环节，这段频率区间称做电路的通频带。2、中频段（12）中频段低频段对数频率特性等效电路3、低频段（1=1/T1）1称为低频或下限截止频率。检测电路中的低频衰减的物理原因是电路中串联耦合电容的容抗随的减小而增大，信号在电容上压降的提高使输出信号变小。3 3、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光电检测电路设计的基本要求：保证所需要光电检测电路设计的基本要求：保证所需要检测

16、灵敏检测灵敏度的前提下度的前提下获得最好的获得最好的线性不失真线性不失真和和频率不失真频率不失真，频率不失真是检测电路频，频率不失真是检测电路频率特性设计需解决的问题。率特性设计需解决的问题。对快速变化的复杂信号是若干不同谐波分量的叠加，对确定的环对快速变化的复杂信号是若干不同谐波分量的叠加，对确定的环节，描述它对不同谐波输入信号的响应能力的频率特性是唯一确节，描述它对不同谐波输入信号的响应能力的频率特性是唯一确定的。对多级检测系统可用其组成单元的频率特性间的简单计算定的。对多级检测系统可用其组成单元的频率特性间的简单计算得到系统的综合频率特性，有利于复杂系统的综合分析。得到系统的综合频率特性

17、，有利于复杂系统的综合分析。信号的频率失真会使某些谐波分量的幅度和相位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相位发生变化导致合成波形畸变。为避免频率失真，保证信号的全部频谱分量不产生成波形畸变。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，检测电路的通频带应以足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足够的宽裕度覆盖住光信号的频谱分布。够的宽裕度覆盖住光信号的频谱分布。3 3、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三个基本内容：检测电路频率特性的设计大体包括下列三个基本内容：对输入光信

18、号进行傅里叶频谱分析，确定信号的频对输入光信号进行傅里叶频谱分析，确定信号的频谱分布；谱分布；确定多级光电检测电路的允许通频带宽和上限截止确定多级光电检测电路的允许通频带宽和上限截止频率；频率；根据级联系统的带宽计算方法，确定单级检测电路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。的阻容参数。下面通过一个实例说明频率特性设计的方法：下面通过一个实例说明频率特性设计的方法：3 3、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例：用例：用2DU12DU1型光电二极管和两级相同的放大器组成光电检测电型光电二极管和两级相同的放大器组成光电检测电路。被测光信号的波形如图，脉冲重复频

19、率路。被测光信号的波形如图，脉冲重复频率f=200kHzf=200kHz，脉宽，脉宽t t0 0=0.5s=0.5s，脉冲幅度，脉冲幅度1V1V，设光电二极管的结电容，设光电二极管的结电容C Cj j=3pF=3pF，输入，输入电路的分布电容电路的分布电容C C0 0=5pF=5pF，设计该电路的阻容参数。，设计该电路的阻容参数。取包络线第二峰值作为信号的高频截止频率，取包络线第二峰值作为信号的高频截止频率，包含包含1515个谐波成分，个谐波成分，高频截止频率高频截止频率fHC取为：取为：此时，认为光信号是不失真的。此时，认为光信号是不失真的。3 3、光电检测电路频率特性的设计、光电检测电路频

20、率特性的设计解：（解：（1 1）首先分析输入光信号频谱，首先分析输入光信号频谱，确定检测电路的总频带宽度。确定检测电路的总频带宽度。周期为周期为T=1/fT=1/f的方波脉冲时序信号，其频谱的方波脉冲时序信号，其频谱是离散的，谱线的是离散的，谱线的频率间隔频率间隔为：为：频谱包络线频谱包络线零值点的分布间隔零值点的分布间隔为：为：频率的频率的零频分量零频分量确定信号的直流成分，不影响变化的波形，但为采用确定信号的直流成分，不影响变化的波形，但为采用交流交流放大放大利用阻容耦合电容利用阻容耦合电容隔直隔直。取。取低频截止频率低频截止频率f fLCLC为为200Hz200Hz，则检测放大器，则检测

21、放大器的总频带宽近似为的总频带宽近似为F3MHz。3 3、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（2 2）确定级联各级电路的频带宽确定级联各级电路的频带宽由设计要求，检测电路由由设计要求，检测电路由输入电路和两级相同放大器输入电路和两级相同放大器串联而成，串联而成，设三级带宽相同设三级带宽相同，根据电子学系统频带宽计算式，相同，根据电子学系统频带宽计算式，相同n n级级联级级联放大器的高频截止频率放大器的高频截止频率f fnHCnHC和低频截止频率和低频截止频率f fnLCnLC为：为：将将f fnHCnHC=f=fHCHC=3MHz=3MHz、f fnLCnLC=f=fLCL

22、C=200Hz=200Hz和和n=3n=3代入上两式，可得：代入上两式，可得：则输入电路和单级放大器的通频带宽相同，且：则输入电路和单级放大器的通频带宽相同，且：3 3、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（3 3）计算输入电路参数计算输入电路参数带宽为带宽为6MHz6MHz的输入电路宜采用的输入电路宜采用电流放大（？）电流放大（？）方式，利用前述方式，利用前述公式可计算出。公式可计算出。R RL L为后级放大器的输入阻抗，若为后级放大器的输入阻抗，若取取R RL L为为2k2k，为保证，为保证R RL LRRb b，取，取R Rb b=(10=(1020)R20)RL L，

23、即，即R Rb b=10R=10RL L=20k=20k。耦合电容耦合电容C C的值的值 是由低频截止频率决定的。是由低频截止频率决定的。由由f fL L=102Hz=102Hz和下式和下式可计算可计算C C值为：值为：取取C=1FC=1F，对于第一，对于第一级耦合电容可适当增级耦合电容可适当增大大1010倍，取电容值倍，取电容值C=10FC=10F。（。（why?why?）3 3、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（4 4）计算输入电路参数计算输入电路参数选用二级通用的选用二级通用的宽带运算放大器宽带运算放大器，放大器，放大器输入阻抗输入阻抗小于小于2k2k，放大器，放大

24、器通频带通频带要求为要求为6MHz6MHz，这里取为，这里取为10MHz10MHz。得到。得到如图所示的检测电路。如图所示的检测电路。图中输入电路的图中输入电路的直流电源直流电源为为50V50V，低于，低于2DU12DU1型光电二极管的型光电二极管的最大反向电压最大反向电压。并联的。并联的500F500F电容电容用以滤除电源波动。为减用以滤除电源波动。为减少少C C电解电容寄生电感的影响，并联了电解电容寄生电感的影响，并联了C Cp p=200pF=200pF的电容。的电容。4.4 光电信号检测电路光电信号检测电路的噪声的噪声检测器检测器在光电转换过程中，既存在检测在光电转换过程中，既存在检测

25、信号电压信号电压或或信号电信号电流流，还伴随着无用的，还伴随着无用的噪声电压或噪声电流。噪声电压或噪声电流。噪声是一种随机噪声是一种随机过程，其波形和瞬时振幅及相位是无规则变化的，无法精确过程，其波形和瞬时振幅及相位是无规则变化的，无法精确测量，只能用统计的理论和方法去处理。测量，只能用统计的理论和方法去处理。系系统统噪噪声声外部噪声外部噪声内部噪声内部噪声包括包括辐射源随机波动和附加的光调制、光路传辐射源随机波动和附加的光调制、光路传输介质的湍流和背景起伏、杂散光的入射及检输介质的湍流和背景起伏、杂散光的入射及检测系统所受到的电磁干扰测系统所受到的电磁干扰这些噪声可以通过稳定辐射源、遮断杂光

26、、选这些噪声可以通过稳定辐射源、遮断杂光、选择偏振面或滤色光片及电气屏蔽、电干扰滤波择偏振面或滤色光片及电气屏蔽、电干扰滤波等加以改善或消除。等加以改善或消除。是光电检测器件和检测电路等器件固有噪声，是光电检测器件和检测电路等器件固有噪声，是基本物理过程决定的，不可人为消除。是基本物理过程决定的，不可人为消除。噪声和有用信号同时存在相互混淆，影响信号检测的准确性，限噪声和有用信号同时存在相互混淆，影响信号检测的准确性，限制检测系统的分辨率的提高。光电信号处理过程核心问题之一就制检测系统的分辨率的提高。光电信号处理过程核心问题之一就是有关噪声干扰的分析以及如何从噪声中提取微弱的信号。在检是有关噪

27、声干扰的分析以及如何从噪声中提取微弱的信号。在检测电路设计中，需综合噪声估算，确保检测系统必需的信噪比。测电路设计中，需综合噪声估算，确保检测系统必需的信噪比。4.4.1 检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理光辐射检测器中存在的内部噪声主要有光辐射检测器中存在的内部噪声主要有热热噪声、散粒噪声、半导体中产生复合噪声、噪声、散粒噪声、半导体中产生复合噪声、温度噪声和闪烁（温度噪声和闪烁（1/f）噪声。）噪声。在一个检测系统中，检测器产生的噪声对在一个检测系统中，检测器产生的噪声对系统性能的影响比前置放大器和其它信号处系统性能的影响比前置放大器和其它信号处理部件产生的噪声要大得多。理部件产

28、生的噪声要大得多。一般光电检测器件中主要的噪声是一般光电检测器件中主要的噪声是热噪声热噪声和和散粒噪声散粒噪声。下面做简要介绍并讨论。下面做简要介绍并讨论等效噪等效噪声电路声电路。4.4.1 4.4.1 4.4.1 4.4.1 检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理1 1 1 1、噪声、噪声、噪声、噪声 热噪声热噪声热噪声热噪声热噪声是热噪声是热噪声是热噪声是电阻性电路器件的共性噪声电阻性电路器件的共性噪声电阻性电路器件的共性噪声电阻性电路器件的共性噪声，噪声电压均方值，噪声电压均方值，噪声电压均方值，噪声电压均方值取决于材料的温度，并有关系式

29、：取决于材料的温度，并有关系式：取决于材料的温度，并有关系式：取决于材料的温度，并有关系式：在纯电阻的简单情况下，在纯电阻的简单情况下，在纯电阻的简单情况下，在纯电阻的简单情况下，R R R R与频谱无关，上式可变为：与频谱无关，上式可变为：与频谱无关，上式可变为：与频谱无关，上式可变为：相应的噪声电流均方值为：相应的噪声电流均方值为：相应的噪声电流均方值为：相应的噪声电流均方值为：温度一定时，热噪声只与电阻和通频带有关，因此热噪声又称电阻噪声温度一定时，热噪声只与电阻和通频带有关，因此热噪声又称电阻噪声或白噪声。与频率无关，在通带内任何频率上噪声电压和噪声功率是同或白噪声。与频率无关，在通带

30、内任何频率上噪声电压和噪声功率是同样数值，即噪声功率谱在通带内产平坦的。带宽愈大，噪声功率愈大。样数值，即噪声功率谱在通带内产平坦的。带宽愈大，噪声功率愈大。但只适合于但只适合于10101212HzHz以下的频率范围。以下的频率范围。4.4.1 4.4.1 4.4.1 4.4.1 检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理当温度为当温度为当温度为当温度为T=300KT=300KT=300KT=300K时，时，时，时，kT=4.1410kT=4.1410-21-21J J，电阻的噪声电压和电流有效，电阻的噪声电压和电流有效，电阻的噪声电压和电流有效，

31、电阻的噪声电压和电流有效值变成：值变成：值变成：值变成：例例：室温下：室温下1M1M电阻，如果检测电路的放电阻，如果检测电路的放大倍数为大倍数为1 1，则在电路通频带为，则在电路通频带为f=30kHzf=30kHz时输出的热噪声电压有效值是时输出的热噪声电压有效值是22.322.3 V V。通。通频带为频带为10MHz10MHz时为时为400400 V V。整个白噪声的输。整个白噪声的输出电压为出电压为413mV413mV。由此可见，。由此可见，检测电路通频检测电路通频带对白噪声输出电压有很强的抑制作用。带对白噪声输出电压有很强的抑制作用。4.4.1 4.4.1 4.4.1 4.4.1 检测电

32、路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理 散粒噪声散粒噪声散粒噪声散粒噪声散粒噪声是散粒噪声是光辐射随机起伏导致和光电流的随机起伏所造成光辐射随机起伏导致和光电流的随机起伏所造成的，的，光电子从材料表面逸出的随机性和光电子从材料表面逸出的随机性和PNPN结中载流子过结数结中载流子过结数的随机性都是这种散粒噪声源。此外光辐射中光子到达率的的随机性都是这种散粒噪声源。此外光辐射中光子到达率的起伏在某些检测器光电转换后也表现为散粒噪声。起伏在某些检测器光电转换后也表现为散粒噪声。散粒噪声的量值不取散粒噪声的量值不取决于温度，而由流过决于温度，而由流过器件的平

33、均电流决定。器件的平均电流决定。若器件的通频带为若器件的通频带为ff，它的散粒噪声，它的散粒噪声电流均方值为：电流均方值为：相应的噪声电流有效值相应的噪声电流有效值I In n和在和在负载电阻上引起的噪声电压负载电阻上引起的噪声电压U Un n分别为：分别为：散粒噪声也是与频率无关的白散粒噪声也是与频率无关的白噪声。噪声。4.4.1 4.4.1 4.4.1 4.4.1 检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理2 2 2 2、等效噪声电路、等效噪声电路、等效噪声电路、等效噪声电路工程上作噪声处理时，为计算方便，常作等效处理。将噪工程上作噪声处理时，

34、为计算方便，常作等效处理。将噪工程上作噪声处理时，为计算方便，常作等效处理。将噪工程上作噪声处理时，为计算方便，常作等效处理。将噪声等效为相同形式的均方值（或有效值）电流源的形式，声等效为相同形式的均方值（或有效值）电流源的形式，声等效为相同形式的均方值（或有效值）电流源的形式，声等效为相同形式的均方值（或有效值）电流源的形式，便于与其它电器件以统一的方式建立起等效噪声电路：便于与其它电器件以统一的方式建立起等效噪声电路：便于与其它电器件以统一的方式建立起等效噪声电路：便于与其它电器件以统一的方式建立起等效噪声电路：如图示为简单电阻的噪声等效如图示为简单电阻的噪声等效如图示为简单电阻的噪声等效

35、如图示为简单电阻的噪声等效电路，由热噪声电流源电路，由热噪声电流源电路，由热噪声电流源电路，由热噪声电流源I IT T和电和电和电和电阻并联。阻并联。阻并联。阻并联。若两个电阻串并联组成合成电若两个电阻串并联组成合成电若两个电阻串并联组成合成电若两个电阻串并联组成合成电路，综合噪声电流等效电路的路，综合噪声电流等效电路的路，综合噪声电流等效电路的路，综合噪声电流等效电路的噪声电流表示为：噪声电流表示为：噪声电流表示为：噪声电流表示为：R R 为合成电阻。为合成电阻。为合成电阻。为合成电阻。在更为复杂的情况下，应将所有电阻合成简化电路，由上在更为复杂的情况下，应将所有电阻合成简化电路，由上在更为

36、复杂的情况下，应将所有电阻合成简化电路，由上在更为复杂的情况下，应将所有电阻合成简化电路，由上式确定噪声等效电路。式确定噪声等效电路。式确定噪声等效电路。式确定噪声等效电路。由以上分析，并联由以上分析，并联由以上分析，并联由以上分析，并联RCRCRCRC电路对噪声的影响相当电路对噪声的影响相当电路对噪声的影响相当电路对噪声的影响相当于使电阻热噪声的频谱白噪声变窄为于使电阻热噪声的频谱白噪声变窄为于使电阻热噪声的频谱白噪声变窄为于使电阻热噪声的频谱白噪声变窄为等效噪等效噪等效噪等效噪声带宽声带宽声带宽声带宽ffffe e e e，其物理意义：频带变窄后的噪，其物理意义：频带变窄后的噪，其物理意义

37、：频带变窄后的噪，其物理意义：频带变窄后的噪声非均匀分布曲线所围图形面积等于以声非均匀分布曲线所围图形面积等于以声非均匀分布曲线所围图形面积等于以声非均匀分布曲线所围图形面积等于以ffffe e e e为带宽、为带宽、为带宽、为带宽、4kTR4kTR4kTR4kTR为恒定幅值的矩形区面积。也为恒定幅值的矩形区面积。也为恒定幅值的矩形区面积。也为恒定幅值的矩形区面积。也就是说用均匀等幅的等效带宽代替了实际噪就是说用均匀等幅的等效带宽代替了实际噪就是说用均匀等幅的等效带宽代替了实际噪就是说用均匀等幅的等效带宽代替了实际噪声频谱的不均匀分布。声频谱的不均匀分布。声频谱的不均匀分布。声频谱的不均匀分布

38、。4.4.1 4.4.1 4.4.1 4.4.1 检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理检测电路的噪声等效处理在电阻和电容在电阻和电容C C并联的情况下，电容并联的情况下，电容C C的频率特性使合成阻抗随的频率特性使合成阻抗随频率的增加而减少，合成电阻表示为：频率的增加而减少，合成电阻表示为：经过变换推导，可得噪声等效带宽经过变换推导，可得噪声等效带宽ffe e：这就是阻容电路热噪声的一般表这就是阻容电路热噪声的一般表示式。适用于散粒噪声计算。示式。适用于散粒噪声计算。噪声电压均方值变为：噪声电压均方值变为：噪声电压均方值变为：噪声电压均方值变为：4.5 4.5 前

39、置放大器前置放大器光电系统中微弱的光信号被深埋在噪声之中，要有效地利用这光电系统中微弱的光信号被深埋在噪声之中，要有效地利用这种微弱信号，必须对其进行放大。光电检测系统中，光电器件种微弱信号，必须对其进行放大。光电检测系统中，光电器件的输出端紧密连接一个的输出端紧密连接一个低噪声前置放大器低噪声前置放大器。低噪声前置放大器低噪声前置放大器的任务：的任务：1 1、放大光电检测器件所输出的微弱电信号；、放大光电检测器件所输出的微弱电信号；2 2、匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。、匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。对对前置放大器前置放大器的要求：的要求：1 1、性能上性能上：低噪声、高增益

40、、低输出阻抗、足够的信号：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号 带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。2 2、结构上：结构上：紧凑、靠近检测器件，良好的接地与屏蔽。紧凑、靠近检测器件，良好的接地与屏蔽。通常要求性能良好的低噪声放大器作为光检测器件的前通常要求性能良好的低噪声放大器作为光检测器件的前置放大器。因此如何设计和应用低噪声放大器，如何将一定置放大器。因此如何设计和应用低噪声放大器，如何将一定偏置状态下的检测器件与前置放大器耦合是必须考虑的重要偏置状态下的检测器件与前置放大器耦合是必须考虑的重要问题。问题。4.5.1 4.5.1 放大器

41、的噪声放大器的噪声1 1、放大器的噪声模型、放大器的噪声模型将放大器内的所有噪声源折算到输入端，一个阻抗为零的将放大器内的所有噪声源折算到输入端，一个阻抗为零的噪声电压源噪声电压源E En n串联在输入端和阻抗为无限大串联在输入端和阻抗为无限大噪声电流源噪声电流源I In n与与输入端并联。放大器内部成为一个输入端并联。放大器内部成为一个无噪声放大器无噪声放大器。E En n和和I In n通通过测量得到。这种等效模型称为过测量得到。这种等效模型称为放大器的放大器的E En n-I-In n噪声模型噪声模型。2 2、等效输入噪声、等效输入噪声信号源与放大器组成的系统的信号源与放大器组成的系统的

42、噪声源为三个：噪声源为三个：E En n、I In n和和E Et t。用。用“等效输入噪声等效输入噪声E Enini”表示，可得表示，可得等效噪声源表达式：等效噪声源表达式：考虑考虑E En n和和I In n相关性，引入相关项，等效输入噪声为相关性，引入相关项，等效输入噪声为：C C为相关系数为相关系数4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声3、En和和In的测量的测量当当R Rs s很小时，很小时，E Enini2 2中主要是中主要是E En n2 2占优势。占优势。当当R Rs s很大时，很大时，E Enini2 2中主要以中主要

43、以E Et t2 2和和I In n2 2R Rs s2 2为主，且为主，且所以当所以当R Rs s足够大时，足够大时，E Enini2 2中主要是中主要是I In n2 2R Rs s2 2起作用。起作用。可得到可得到E En n和和I In n的测量方法：的测量方法：放大器输入端短路，即放大器输入端短路，即R Rs s=0=0，测得放大器输出端的噪声电压均方值为，测得放大器输出端的噪声电压均方值为A Au uEEn n，用，用A Au u除之，得除之，得E En n。A Au u为放大器电压增益。为放大器电压增益。取一个很大的电阻作为源电阻取一个很大的电阻作为源电阻R Rs s，测得放大器

44、输出端的噪声电压均方值，测得放大器输出端的噪声电压均方值为为A Au uI In nR Rs s，用，用A Au uRRs s除之，得除之，得I In n。4、噪声系数、噪声系数描述放大器的噪声性能描述放大器的噪声性能描述放大器的噪声性能描述放大器的噪声性能噪声系数是描述放大器或其它电路的噪声性能，噪声系数噪声系数是描述放大器或其它电路的噪声性能，噪声系数F F的定义为放大器总输出噪声功率与信号源电阻在放大器的定义为放大器总输出噪声功率与信号源电阻在放大器输出端的噪声功率之比。可表示为：输出端的噪声功率之比。可表示为：A Ap p为放大器的功率增益；为放大器的功率增益；P Pnini为放大器的

45、输入噪声功率，即源电阻产生为放大器的输入噪声功率，即源电阻产生的噪声功率；的噪声功率；A Ap pPPnini表示了源电阻在放大器输出端产生的噪声功率；表示了源电阻在放大器输出端产生的噪声功率；P Pnono为放大器输出端总的噪声功率。为放大器输出端总的噪声功率。引入引入A Ap p（输出信号功率（输出信号功率P Psoso与输入信号与输入信号P Psi si之比）表示式，之比）表示式，噪声系数可表示为：噪声系数可表示为：4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声噪声系数是对放大器引起信噪比恶化程度的量度，一个好的噪声系数是对放大器引起信噪

46、比恶化程度的量度，一个好的放大器应该是在源热噪声的基础上增加尽可能少的噪声，使放大器应该是在源热噪声的基础上增加尽可能少的噪声，使噪声系数噪声系数F F接近于接近于1 1。或者说使放大器的输出信噪比接近于输。或者说使放大器的输出信噪比接近于输入信噪比。入信噪比。对式对式分子分母同除以分子分母同除以A Ap p，并应用式，并应用式和和可得：可得：式中式中ff为放大系统的噪声等效带宽为放大系统的噪声等效带宽噪声系数是功率比，可用分贝表示：噪声系数是功率比，可用分贝表示：噪声系数主要是用于噪声系数主要是用于比较放大器的噪声性能比较放大器的噪声性能，不一定是放大器噪声特性的最，不一定是放大器噪声特性的

47、最佳合适标志。因为同一放大器，在源电阻增大，热噪声随之增加，使得噪声佳合适标志。因为同一放大器，在源电阻增大，热噪声随之增加，使得噪声系数减小。但放大器本身噪声性能并没改变。这种噪声系数的变小，对放大系数减小。但放大器本身噪声性能并没改变。这种噪声系数的变小，对放大器本身设计没有意义。只有在器本身设计没有意义。只有在源电阻相同源电阻相同的情况下，减小噪声系数才有意义。的情况下，减小噪声系数才有意义。4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 前置放大器的噪声前置放大器的噪声前置放大器的噪声前置放大器的噪声5、噪声匹配、噪声匹配式式表明噪声系数与源电阻表明噪声系数与源电阻R Rs s有关。有

48、关。当当R Rs s较小时，放大器的噪声电压较小时，放大器的噪声电压E En n项大于其他两项，随源项大于其他两项，随源电阻电阻R Rs s的增加，热噪声增加，噪声系数由于源电阻热噪声的增的增加，热噪声增加，噪声系数由于源电阻热噪声的增大而减小。当大而减小。当R Rs s增加到足够大时，放大器的噪声电流项增加到足够大时，放大器的噪声电流项I In nR Rs s成成为主要项，以至噪声系数随源电阻的增加而增加。在其中某个为主要项，以至噪声系数随源电阻的增加而增加。在其中某个R Rs s值时，值时，噪声系数存在一个最小值噪声系数存在一个最小值，此时放大器在源热噪声基，此时放大器在源热噪声基础上噪声

49、增加最小，这个源电阻称做础上噪声增加最小，这个源电阻称做最佳源电阻最佳源电阻R R0 0。可得：可得：上式被称为上式被称为噪声匹配噪声匹配条件，此时得噪声系数最小值为：条件，此时得噪声系数最小值为：4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声满足噪声匹配条件时最小噪满足噪声匹配条件时最小噪声系数与放大器的声系数与放大器的E En n和和I In n的的乘积有关。乘积有关。4.5.2 4.5.2 前置放大器的低噪声设计前置放大器的低噪声设计在实际多级放大器中，总的噪声系数主要是由第一级噪声在实际多级放大器中，总的噪声系数主要是由第一级噪声系数系

50、数F F1 1决定。因此在级联放大器设计中，尽量决定。因此在级联放大器设计中，尽量提高提高第一级的功第一级的功率增益或电压增益，尽量率增益或电压增益，尽量压低压低第一级放大器的噪声。第一级放大器的噪声。低噪声前置放大器的设计要求及步骤：低噪声前置放大器的设计要求及步骤：1 1、首先满足放大器间的噪声指标，考虑器件选取和低噪声、首先满足放大器间的噪声指标，考虑器件选取和低噪声工作点的确立。注意满足信号源阻抗与放大器间的噪声匹配。工作点的确立。注意满足信号源阻抗与放大器间的噪声匹配。2 2、考虑电路组态、级联方式及负反馈等以满足对放大器增、考虑电路组态、级联方式及负反馈等以满足对放大器增益、频率响