4-3光电探测器的放大电路.ppt

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1、第四章第四章 光电信号处理光电信号处理4.1光辐射探测过程的噪声光辐射探测过程的噪声4.2光电探测器的偏置电路光电探测器的偏置电路4.3光电探测器的放大电路光电探测器的放大电路4.4微弱信号检测微弱信号检测4.5锁定放大器锁定放大器4.6取样积分器取样积分器4.7光子计数器光子计数器14.3 光电探测器的放大电路光电探测器的放大电路 从从光光电电探探测测器器获获取取信信号号，除除了了要要有有必必要要的的偏偏置置电电路路外外，还还必必须须有有耦耦合合网网络络才才能能将将探探测测器器输输出出的的信信号号送送到到后后续续的的低低噪声前放进行放大。噪声前放进行放大。这一节我们讲述耦合网络的类型，以及这

2、一节我们讲述耦合网络的类型，以及耦合网络的低噪耦合网络的低噪声设计的原则声设计的原则。4.3.1 耦合网络的低噪声设计原则耦合网络的低噪声设计原则 2如图：如图：Zs表示探测器和偏置电路形表示探测器和偏置电路形成的成的等效阻抗等效阻抗；Vs表示由探测器得到的表示由探测器得到的信号信号电压电压；光电探测器及其偏置电路就光电探测器及其偏置电路就可以看出一个内阻的可以看出一个内阻的Zs电动电动势为势为Vs信号源信号源。3信号源与前放耦合的方式有下列五种。信号源与前放耦合的方式有下列五种。（1）并联型并联型：4（2）串联型串联型：5（3）串并型串并型：6（4）并串型并串型：7（5）串并串型串并串型：8

3、耦耦合合网网络络除除了了要要符符合合电电子子学学的的设设计计原原则则之之外外，从从降降低低噪噪声声提提高高输输出出端端信信噪噪比比的的角角度度来来考考虑虑和和分分析析，为为了了尽尽量量减减少少耦耦合合网网络络带带来来的的噪声，必须满足下列条件：噪声，必须满足下列条件：（1）对于耦合网络中的）对于耦合网络中的串联阻抗元件串联阻抗元件（2）对于耦合网络中的）对于耦合网络中的并联阻抗元件并联阻抗元件En、In为前置放大器的为前置放大器的En-In模型中模型中En、In参量。参量。9（3 3）为为了了减减小小电电阻阻元元件件的的过过剩剩噪噪声声，（过过剩剩噪噪声声是是除除了了热热噪噪声声之之外外的的一

4、一种种由由流流过过电电阻阻的的直直流流电电流流所所引引起起的的1/f1/f噪噪声声）必须尽量减小流过电阻的电流，或降低电阻两端的直流压降必须尽量减小流过电阻的电流，或降低电阻两端的直流压降。由于每一个元件都是一个噪声源，对系统的输出噪声都有贡由于每一个元件都是一个噪声源，对系统的输出噪声都有贡献，因此为了减小输出端的噪声，提高信噪比，应献，因此为了减小输出端的噪声，提高信噪比，应尽量采用尽量采用简单的耦合方式简单的耦合方式。在可能的情况下，应采用直接耦合方式在可能的情况下，应采用直接耦合方式，从而消除耦合网，从而消除耦合网络所带来的噪声。络所带来的噪声。在在迫不得已要采用耦合网络迫不得已要采用

5、耦合网络时，注意遵循上述原则。时，注意遵循上述原则。104.3.2 多级放大器的噪声系数多级放大器的噪声系数NF1,2,n 单级放大器噪声系数单级放大器噪声系数NF Pni为输入端噪声功率，即源的噪声功率。为输入端噪声功率，即源的噪声功率。Pn为放大器内部噪声在输出端的体现。为放大器内部噪声在输出端的体现。Pn0为输出端总的噪声功率，为输出端总的噪声功率，Ap为放大器的功率增益。为放大器的功率增益。根据噪声系数根据噪声系数NF的定义，可得到：的定义，可得到：当一个放大器的当一个放大器的输入端输入端Pni变化时，其变化时，其NF也是随着变化的也是随着变化的。11多级放大器的噪声系数多级放大器的噪

6、声系数：Pni为为第第一一级级输输入入端端的的输输入入噪噪声声功功率率，也也是是整整个个系系统统的的输输入噪声功率。入噪声功率。Pn1、Pn2、Pn3分分别别为为各各级级所所产产生生的的噪噪声声功功率率，在在各各级级输输出出端的体现。端的体现。Ap1、Ap2、Ap3分别为分别为各级的功率增益各级的功率增益。Pni 多级放大器的噪声系数多级放大器的噪声系数AP1Pn1NF1AP2Pn2NF2AP3Pn3NF3Pn0NF1,2,312由由 得：得：每个放大器单独和源相连接时，得到：每个放大器单独和源相连接时，得到：13三级放大器级联三级放大器级联成为一个放大系统，此系统的成为一个放大系统，此系统的

7、噪声系数噪声系数:P Pn n为三级级联放大器内部噪声功率在输出端的为三级级联放大器内部噪声功率在输出端的体现体现:即：即：A Ap p为三级放大器的总的功率增益：为三级放大器的总的功率增益：14所以：所以：对于对于n级级联放大器，可以得出其噪声系数为：级级联放大器，可以得出其噪声系数为：这就是多级放大器的这就是多级放大器的噪声系数理论的噪声系数理论的Friis公式公式 15多级放大器的噪声系数理论的多级放大器的噪声系数理论的Friis公式是公式是Friis在在1994年年7月发表的，从这个公式可以看出：月发表的，从这个公式可以看出：多级放大器噪声系数的大小，主要取决于第一级放大器多级放大器噪

8、声系数的大小，主要取决于第一级放大器的噪声系数。的噪声系数。为了使多级放大器的噪声系数减小为了使多级放大器的噪声系数减小应尽量减小第一级的应尽量减小第一级的噪声系数，以及提高第一级的功率放大倍数噪声系数，以及提高第一级的功率放大倍数Ap1，这就是这就是指导我们指导我们设计低噪声前放的又一个重要原则。设计低噪声前放的又一个重要原则。16只考虑前放噪声的条件只考虑前放噪声的条件前放采取低噪声设计方法，且前放采取低噪声设计方法，且噪声匹配噪声匹配。满足满足级联低噪声条件级联低噪声条件反馈电路的低噪声条件反馈电路的低噪声条件串联负反馈，反馈合成电阻应远小于串联负反馈，反馈合成电阻应远小于En/In。并

9、联负反馈，反馈合成电阻应远大于并联负反馈，反馈合成电阻应远大于En/In。17偏置电路的低噪声条件偏置电路的低噪声条件18194.3.3 低噪声前放的选用低噪声前放的选用 在光电系统中，紧接着探测器后面的就是耦合在光电系统中，紧接着探测器后面的就是耦合网络和前置放大器；网络和前置放大器；为了将探测器输出的微弱信号放大，必须合理为了将探测器输出的微弱信号放大，必须合理地设计或选用低噪声前置放大器，以地设计或选用低噪声前置放大器，以保证放大器保证放大器的输入端和输出端有足够大的信噪比。的输入端和输出端有足够大的信噪比。首先介绍低噪声前放的选用方法首先介绍低噪声前放的选用方法。20噪声系数噪声系数N

10、F是用来描述放大器（或一个器件）噪声性能的是用来描述放大器（或一个器件）噪声性能的参数，如果一个放大器是理想的无噪声的放大器，那么，它参数，如果一个放大器是理想的无噪声的放大器，那么，它的噪声系数的噪声系数NF=1，而而NF=10 lg(NF)=0（dB）一个实际的质量好的低噪声前置放大器其一个实际的质量好的低噪声前置放大器其NF值可以做到值可以做到0.05dB，甚至更低甚至更低。生产厂商在出售生产厂商在出售低噪声前放低噪声前放时，都附有关的技术资料，其时，都附有关的技术资料，其中就包括提供中就包括提供各种测试条件下的各种测试条件下的NF值值。211.根据根据NF值来计算低噪声前放的等效输入噪

11、声值来计算低噪声前放的等效输入噪声Eni，采用分贝表示的噪声系数：采用分贝表示的噪声系数：得：得：此式表明：此式表明：如果已知前放的如果已知前放的NF值，信号源的源电阻值，信号源的源电阻Rs及及带带宽宽f（在其中心频率在其中心频率f0附近）则放大器的等效输入噪声附近）则放大器的等效输入噪声Eni即可求出即可求出。222 根据根据Eni和和Vs来选用前放来选用前放已知放大器等效输入噪声已知放大器等效输入噪声Eni的大小，的大小，将将Eni和放大器输入和放大器输入端的信号端的信号Vs进行比较，就可判定这个放大器是否符合要求；进行比较，就可判定这个放大器是否符合要求；一般是根据系统的（一般是根据系统

12、的（Vs/Eni）比值的要求来选定放大器的比值的要求来选定放大器的NF值值。要注意的是要注意的是NF值和值和Eni的大小都是的大小都是和源电阻及带宽和源电阻及带宽f 密切密切相关的相关的。其中带宽其中带宽f是是由系统的需要所确定的由系统的需要所确定的，并且是由系统中的，并且是由系统中的某一部件，例如带通滤波器或者前放本身所决定的。某一部件，例如带通滤波器或者前放本身所决定的。23 Enif，Rs放大器放大器1 NF=20dB放大器放大器2 NF=3dBRs=100f=100HZ130nV18nVRs=100f=1HZ13nV1.8nV例如有两个标号分别为例如有两个标号分别为1 1号、号、2 2

13、号的前置放大器，号的前置放大器，它们的有关数据经计算列于下表：它们的有关数据经计算列于下表：24如果被测信号为如果被测信号为Vs=1V，f=100Hz，Rs=100，且系统要求：且系统要求：如果选用如果选用1号放大器则：号放大器则：不合要求不合要求；如果选用如果选用2号放大器，则：号放大器，则：符合要求符合要求。故在信号源内阻故在信号源内阻Rs=100，系统带宽系统带宽f=100Hz，且且要求要求Vsi/Eni10的条件下，应该选择的条件下，应该选择2号放大器作为低号放大器作为低噪声前放使用。噪声前放使用。25若若其其它它条条件件不不变变，采采取取压压缩缩带带宽宽的的措措施施，使使f=1Hz，

14、经经过过计计算算，可可以以知知道道，1号号放放大大器器也也可可以以适适用用。故故压压缩缩带带宽宽对对克克服服噪噪声声是是非非常常有有利利的的，但但是是压压缩缩带带宽宽在在某某些些情情况况下下可可能能损损失失信信息息量量，所所以以压压缩缩带带宽宽有有时时要要付付出出一一定定的的代价。代价。263 NF图的应用图的应用NF的表达式如下：的表达式如下：选定不同的选定不同的Rs和和f 测出测出Eni就可以得到一系列的就可以得到一系列的NF值。值。生生产产厂厂家家在在测测量量中中通通常常的的做做法法是是在在放放大大器器后后面面接接一一个个中中心心频频率率f0可可调调的的带带通通滤滤波波器器，采采用用噪噪

15、声声发发生生器器法法，或或正正弦弦波波法法，测测出出不不同同Rs和和f0条件下的一系列条件下的一系列NF值，都标在坐标图上。值，都标在坐标图上。坐坐标标图图以以f0为为横横坐坐标标，Rs为为纵纵坐坐标标，且且均均以以对对数数为为标标度度。将将所所以以NF值值相相等等的的点点连连接接起起来来，就就得得到到一一幅幅NF等等值值图图，称称为为放放大大器器的的噪噪声声因因子子图图或或NF图图。不不同同的的放放大大器器有有不不同同的的NF图图，放放大大器器一一经经制制成成，NF图图的的结结果果就就是是唯唯一一的的，生生产产厂厂家家必必须须向向用用户户提提供供低低噪噪声前置放大器的声前置放大器的NF图，它

16、充分反映了该放大器的噪声特性。图，它充分反映了该放大器的噪声特性。27美国美国PARCPARC公司公司113113型低噪声前放的等值图：型低噪声前放的等值图：28利用利用NF图，我们可以做到如下几点：图，我们可以做到如下几点：（1）从从NF图图中中，可可以以选选择择NF最最小小的的Rs和和f0的的范范围围。如如113型型低低噪噪声声前前放放NF=0.05dB等等值值线线f0的的范范围围在在几几个个Hz到到几几KHz，而，而Rs的范围从几百的范围从几百K到十兆到十兆（10M）（2）在实际的微弱信号检测中，在实际的微弱信号检测中，不同的检测对象可根据不同的检测对象可根据NF图选择最适用的前放图选择

17、最适用的前放。由于测量和放大的对象不同，源电阻由于测量和放大的对象不同，源电阻Rs的差异是很大的，的差异是很大的，例如，光电信增管（例如，光电信增管（PMT）为高阻为高阻Rs，热电偶的热电偶的Rs却很低。却很低。同样，工作频率的选择也不一致。如声学或生物医学的同样，工作频率的选择也不一致。如声学或生物医学的使用常在低频范围，而某些电检测又常常避开使用常在低频范围，而某些电检测又常常避开1/f噪声，噪声，需选择中频区，需选择中频区，NF图为我们正确选择前放提供了依据。图为我们正确选择前放提供了依据。29（3）利利用用NF图图还还可可以以计计算算出出最最小小可可检检测测信信号号MDS的的大大小小，

18、MDS的的定义为折合到放大器输入端的定义为折合到放大器输入端的Eni。由公式：由公式：可可以以由由等等值值图图中中最最小小的的NF值值即即能能计计算算出出低低噪噪声声前前放放在在一一定条件下的最小的定条件下的最小的Eni，这就是这就是MDS。在科研和开发中，选购低噪声前放时，应注意利用在科研和开发中，选购低噪声前放时，应注意利用NF图图及有关技术参数，其它参数还有如输入、输出阻抗、增及有关技术参数，其它参数还有如输入、输出阻抗、增益、带宽、益、带宽、NF最小点，增益稳定度等。最小点，增益稳定度等。304.3.4 低噪声运算放大器的选用低噪声运算放大器的选用 由于集成电路制造技术的不断提高，低噪

19、声、由于集成电路制造技术的不断提高，低噪声、低温漂的运放也越来越多，因此，在低噪声前放的低温漂的运放也越来越多，因此，在低噪声前放的设计中，可直接选用性能优良的低噪声运算放大器，设计中，可直接选用性能优良的低噪声运算放大器，这可以省去许多的时间。这可以省去许多的时间。31 利用低噪声运放的利用低噪声运放的NF-Rs曲线选择运放。曲线选择运放。对于低噪声运放，生产厂家一般会在其对于低噪声运放，生产厂家一般会在其产品手册产品手册中提供一定中提供一定测试条件下的测试条件下的NF-Rs曲线，如下便是两例。曲线，如下便是两例。OP-07的的NF-Rs曲线曲线 LMC662的的NF-Rs曲线曲线 从从NF

20、-Rs曲线上可以清楚地看到，在曲线上可以清楚地看到，在所运用的频率范围下所运用的频率范围下，源电阻源电阻Rs和和NF的关系，当源电阻为的关系，当源电阻为50K，运用频率为运用频率为1KHz时，时，OP-07的的NF约为约为3dB，而，而LMC662却为却为8dB，故这故这两者比较应选用两者比较应选用OP07。32 利用利用En、In计算计算Eni许多生产厂家，只提供了噪声的许多生产厂家，只提供了噪声的谱密度函数谱密度函数 、单位分别是：单位分别是：A/Hz-1/2 和和V/Hz-1/2此时，可根据源电阻此时，可根据源电阻Rs的情况，的情况，选用选用 和和 均小的运放。均小的运放。但是在但是在R

21、s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。根据实际计算来确定根据实际计算来确定Eni从而和从而和Vs比较。再根据比较。再根据Psi/Pni（或（或Vsi/Eni）的要求的要求来决定运放是否符合要求来决定运放是否符合要求。33例如：例如：OP07和和LMC662在在1KHz时的和分别如下时的和分别如下OP07 9.6nVHz-1/2 120fA Hz-1/2 LMC662 22nVHz-1/2 0.113fA Hz-1/2常温下，当常温下，当Rs=50K，且工作且工作1KHz条件条件下应选哪一下应选哪一种运放种运放?34对对OP07:对OP07来说（在（在T=290K，1kHz带宽下）带宽下）现分别计算如下：现分别计算如下：35对OP07来说对对LWC662:故选用故选用OP0736注意事项注意事项等效输入噪声中由放大器提供的噪声不仅与放大器等效输入噪声中由放大器提供的噪声不仅与放大器本身本身En和和In有关，而且有关，而且与信号源内阻与信号源内阻Rs有关。有关。当运放技术资料中只给出当运放技术资料中只给出En，而没有，而没有In时，可以时，可以利用利用散粒噪声公式来估算散粒噪声公式来估算In。37