第4部分光电信号检测电路.ppt

第4章 光电信号检测电路,主要内容,光电检测电路的设计要求 光电信号输入电路的静态计算 光电信号检测电路的动态计算 光电信号检测电路的噪声 前置放大器 光电检测电路举例,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。,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：,灵敏的、较强的光电转换能力：光电灵敏度。 快速的动态响应能力：频率响应及选择特性。 最佳的信号检测能力：信噪比(SNR)、等效噪声功率(NEP)。 长期工作的稳定性和可靠性：,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。,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：,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：,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。,由和I选择RL和Ub超过转换点M，以便有最大不失真电压输出。 同时保证Ub不大于器件最大工作电压Umax,2、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,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,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，输出电流和电压逐渐呈现饱和。负载越大情况越明显。,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0.450.6V，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Uoc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。 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。 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。,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IsI，要使输出电流I和输入光功率成线性关系I=S，则要求：,已知最大允许光电流IM，相应的光通为M时，可得到输出最大线性电压的负载RL应满足：,对应于max±的输入光功率变化时，负载上电压信号变化为：,在线性关系要求不高情况下，可由经验数据，利用图解法简单地得到临界负载电阻RM的值和电阻上电压UM:,Uoc对应最大的输出电压。,说明：在线性关系要求不高的情况下，可以利用图解法简单地得到临界电阻Rs值。 此时，在电压轴上选取临界电压Us0.6Uoc的垂直线，与对应伏安曲线相交于S点，这样也可以得到临界电阻的负载线。 此处倍数0.6是经验数据。由于临界电阻Rs上的电压Us为： UsRsIs0.6Uoc 所以，Rs值可近似计算为：Rs0.6Uoc/Ip0.6Uoc/Smax 式中，Uoc是对应max时的值，对应的输出电压的变化为： URsIp(0.6Uoc/Smax)·S0.6Uoc·(/max),4.2.3 可变电阻型器件光电信号输入电路,光敏电阻电路,光敏电阻的一般电路如右图。其阻值随输入光通量改变的伏安特性如右下图：以输入光功率为参量的通过原点的直线组，在一定范围内光敏电阻阻值不随外电压改变，仅取决于输入光通量或光照度E。,光敏电阻的阻值表示为：,利用图解法分析光敏电阻输入电路如图示。在建立负载线之后即可确定对应于输入光通量13变化的输出信号。,利用解析法分析光敏电阻输入电路,按照线性电路规律，依图有：,当光通量变化时，光敏电阻变化R，引起负载上输出电流I和输出电压U的变化：,又,所以,即有：,和,光敏电阻的两种工作状态,1）恒流偏置电路,2）恒压偏置电路,当RLR时，,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。,其中：S=G是光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因。 上式表示恒压偏置的输出信号与光敏电阻值无关，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始状态影响不大。 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）,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，RR01+R1，取R1=R2=R和R01=R02=R0，则：,可求得在R=R0时，U0有最大值：,4.3 光电信号检测电路的动态计算,光电检测电路接收交变光信号时，与缓变光信号相比，交变信号有更丰富的频率分量，信号微弱时还需要多级放大等。与检测电路的设计不同，在分析和设计交变光信号检测电路时，需要解决下面的动态计算问题： 1、确定检测电路的动态工作状态，使交变光信号作用下负载上能获得最小非线性失真的电信号输出。 2、使检测电路具有足够的频率响应，以能对复杂的瞬变光信号或周期光信号进行无频率失真的变换和传输。,4.3.1 光电信号输入电路的动态计算,为提供光电检测器件正常的工作条件，首先要在交变光信号输入电路中建立直流工作点。另一方面要考虑后续电路的等效输入阻抗与输入电路直流负载电阻的并联。,下面分别以光电二极管和光电池为例介绍其交流检测电路的动态计算方法。,1） 光电二极管交流检测电路,交变光信号输入光照度：,交流信号视电容短路，负载为Rb和RL并联，画交流负载线，通过M点，以便充分利用线性空间。,交流负载线与E0的伏安特性交点为Q点，通过Q点图解可以得到Rb和Ub。,在三角形MHQ中，交流负载线MN的斜率GL+Gb。交流负载电流峰值为Im，有：,下面计算负载RL上（或后续电路输入阻抗）的输出电压和输出功率值。,由线段MH，有电流关系： 可得：,负载电阻RL上输出功率PL为：,上式中对RL求偏微分，计算最大功率输出下的负载电阻RL0(推导过程略)，可得：,称为阻抗匹配条件。此时负载上输出电压峰值Um0、最大输出功率有效值PLm和输出电流峰值IL0为：,下面求解最大功率输出条件的直流偏置电阻Rb0和电源电压Ub，由解析法计算，Q点的电流值由伏安特性，可知：,由负载线得：,由两式得：,另外，在电压轴上Q点处的电压UQ为：,由UQ的两个式子可计算出Gb0或Rb0为：,或,2） 光电池交流检测电路,直流负载线是通过原点且斜率为Gb的直线，与E=E0的伏安特性相交于Q点。,交变光信号输入光照度：,交流负载线通过Q点，斜率为Gb+GL，与最大光照度伏安特性交于M点。,M点的电压UM应满足：,在最大功率输出条件下的输出电压、功率和电流的表达式：,与光电二极管的解析计算过程类似，可求得对光电池交流检测电路有最大功率输出的条件为：GL=Gb=GL0,最大功率输出条件的直流偏置电阻的数值可计算为：,4.3.2 光电检测电路的频率特性,光电器件的自身惯性和检测电路的耦合电容、分布电容等非阻性元件的存在。使光电检测电路需要一个过渡过程才能对快速变化的输入光信号建立稳定的响应。在检测技术中常采用频域分析法。 在光电器件以各种耦合方式和电路器件组成检测电路时，其综合动态特性不仅与光电器件本身有关，而且主要取决于电路的形式和阻容参数，需要进行合理的设计才能充分发挥器件的固有性质，达到预期的动态要求。描述检测器件频率响应通道的参数是通频带F，它是检测电路上限和下限截止频率所包括的频率范围。F愈大，信号通过能力愈强。 本内容以器件等效电路为基础，介绍检测电路的频率特性，并给出根据被测信号的技术要求设计检测电路的实例。,1、光电检测电路的高频特性,除热释电器件外，大多数光电、热电检测器件对检测电路的影响突出地表现在对高频光信号响应的衰减上。,微变等效电路图,e=E0+Emsint为输入光照度; iL为负载电流; Cj为光电二极管结电容； ib为偏置电流，ij为结电容电流; ig为反向漏电流。 均为复数值。,由图得：,其中 称为检测电路的时间常数,上式可改写成：,可得上限频率：,可见，检测电路的频率特性与光电二极管参数Cj和g有关，还取决于放大电路的参数GL和Gb。,对应检测电路不同的工作状态，频率特性式可有不同的简化形式：, 给定输入光强度，希望负载上获取最大功率输出。,要求满足的条件式：,时间常数和上限频率分别为：,此时:, 电压放大时，希望在负载上获得最大电压输出,要求满足的条件式:,此时:,时间常数和上限频率分别为：, 电流放大时，希望在负载上获得最大电流输出,要求满足的条件式:,此时:,时间常数和上限频率分别为：,总结： 1、为从光电二极管得到足够的信号功率和电压，负载电阻RL和直流偏置电阻Rb不能很小，阻值过大，又使高频截止频率下降，降低通频带，因此要由增益和带宽综合考虑选择负载大小。 2、在电流放大情况下，负载RL取得很小，由后级放大得到足够的信号增益。因此采用低输入阻抗、高增益的电流放大器使检测器件工作在电流放大状态，以提高频率响应。这种高增益放大器可在不改变信号通频带的前提下提高信号的输出电压。,2、光电检测电路的综合频率特性,光电检测电路、等效电路如图。其中考虑了隔直电容、分布电容和放大输入电容的影响。这些参数是确定电路通频带的重要因素。图中C0是电路的布线电容，Ci是放大器输入电容，Cc是级间耦合电容。输入电路的频率特性可写成：,其中,当RgRb,式中：,输入电路的振幅频率特性：,对数频率特性：,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。,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）,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、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：保证所需要检测灵敏度的前提下获得最好的线性不失真和频率不失真，频率不失真是检测电路频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得到系统的综合频率特性，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够的宽裕度覆盖住光信号的频谱分布。,3、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：, 对输入光信号进行傅里叶频谱分析，确定信号的频谱分布； 确定多级光电检测电路的允许通频带宽和上限截止频率； 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。,下面通过一个实例说明频率特性设计的方法：,3、光电检测电路频率特性的设计,例：用2DU1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，脉冲重复频率f=200kHz，脉宽t0=0.5µs，脉冲幅度1V，设光电二极管的结电容Cj=3pF，输入电路的分布电容C0=5pF，设计该电路的阻容参数。,3、光电检测电路频率特性的设计,解：（1）首先分析输入光信号频谱，确定检测电路的总频带宽度。,周期为T=1/f的方波脉冲时序信号，其频谱是离散的，谱线的频率间隔为：,频谱包络线零值点的分布间隔为：,频率的零频分量确定信号的直流成分，不影响变化的波形，但为采用交流放大利用阻容耦合电容隔直。取低频截止频率fLC为200Hz，则检测放大器的总频带宽近似为F3MHz。,3、光电检测电路频率特性的设计,（2）确定级联各级电路的频带宽,由设计要求，检测电路由输入电路和两级相同放大器串联而成，设三级带宽相同，根据电子学系统频带宽计算式，相同n级级联放大器的高频截止频率fnHC和低频截止频率fnLC为：,将fnHC=fHC=3MHz、fnLC=fLC=200Hz和n=3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：,3、光电检测电路频率特性的设计,（3）计算输入电路参数,带宽为6MHz的输入电路宜采用电流放大（？）方式，利用前述公式可计算出。,RL为后级放大器的输入阻抗，若取RL为2k，为保证RLRb，取Rb=(1020)RL，即Rb=10RL=20k。,耦合电容C的值,是由低频截止频率决定的。由fL=102Hz和下式,可计算C值为：,取C=1µF，对于第一级耦合电容可适当增大10倍，取电容值C=10µF。（why?）,3、光电检测电路频率特性的设计,（4）计算输入电路参数,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，这里取为10MHz。得到如图所示的检测电路。,图中输入电路的直流电源为50V，低于2DU1型光电二极管的最大反向电压。并联的500µF电容用以滤除电源波动。为减少C电解电容寄生电感的影响，并联了Cp=200pF的电容。,4.4 光电信号检测电路的噪声,检测器在光电转换过程中，既存在检测信号电压或信号电流，还伴随着无用的噪声电压或噪声电流。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，无法精确测量，只能用统计的理论和方法去处理。,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,光辐射检测器中存在的内部噪声主要有热噪声、散粒噪声、半导体中产生复合噪声、温度噪声和闪烁（1/f）噪声。,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理部件产生的噪声要大得多。 一般光电检测器件中主要的噪声是热噪声和散粒噪声。下面做简要介绍并讨论等效噪声电路。,4.4.1 检测电路的噪声等效处理,1、噪声, 热噪声,热噪声是电阻性电路器件的共性噪声，噪声电压均方值取决于材料的温度，并有关系式：,在纯电阻的简单情况下，R与频谱无关，上式可变为：,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1012Hz以下的频率范围。,4.4.1 检测电路的噪声等效处理,当温度为T=300K时，kT=4.14×10-21J，电阻的噪声电压和电流有效值变成：,例：室温下1M电阻，如果检测电路的放大倍数为1，则在电路通频带为f=30kHz时输出的热噪声电压有效值是22.3µV。通频带为10MHz时为400µV。整个白噪声的输出电压为413mV。由此可见，检测电路通频带对白噪声输出电压有很强的抑制作用。,4.4.1 检测电路的噪声等效处理, 散粒噪声,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的，光电子从材料表面逸出的随机性和PN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决于温度，而由流过器件的平均电流决定。若器件的通频带为f，它的散粒噪声电流均方值为：,相应的噪声电流有效值In和在负载电阻上引起的噪声电压Un分别为：,散粒噪声也是与频率无关的白噪声。,4.4.1 检测电路的噪声等效处理,2、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：,如图示为简单电阻的噪声等效电路，由热噪声电流源IT和电阻并联。,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噪声电流表示为：,R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，由上式确定噪声等效电路。,由以上分析，并联RC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等效噪声带宽fe，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fe为带宽、4kTR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声频谱的不均匀分布。,4.4.1 检测电路的噪声等效处理,在电阻和电容C并联的情况下，电容C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：,经过变换推导，可得噪声等效带宽fe：,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。,噪声电压均方值变为：,4.5 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低噪声前置放大器。,低噪声前置放大器的任务： 1、放大光电检测器件所输出的微弱电信号； 2、匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。,对前置放大器的要求： 1、性能上：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。 2、结构上：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问题。,4.5.1 放大器的噪声,1、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，一个阻抗为零的噪声电压源En串联在输入端和阻抗为无限大噪声电流源In与输入端并联。放大器内部成为一个无噪声放大器。En和In通过测量得到。这种等效模型称为放大器的En-In噪声模型。,2、等效输入噪声,信号源与放大器组成的系统的噪声源为三个：En、In和Et。用“等效输入噪声Eni”表示，可得等效噪声源表达式：,考虑En和In相关性，引入相关项，等效输入噪声为：,C为相关系数,4.5.1 放大器的噪声,3、En和In的测量,当Rs很小时，Eni2中主要是En2占优势。,当Rs很大时，Eni2中主要以Et2和In2Rs2为主，且,所以当Rs足够大时， Eni2中主要是In2Rs2起作用。,可得到En和In的测量方法： 放大器输入端短路，即Rs=0，测得放大器输出端的噪声电压均方值为Au·En，用Au除之，得En。Au为放大器电压增益。 取一个很大的电阻作为源电阻Rs，测得放大器输出端的噪声电压均方值为Au·InRs，用Au·Rs除之，得In。,4、噪声系数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输出端的噪声功率之比。可表示为：,Ap为放大器的功率增益；Pni为放大器的输入噪声功率，即源电阻产生的噪声功率；Ap·Pni表示了源电阻在放大器输出端产生的噪声功率；Pno为放大器输出端总的噪声功率。,引入Ap（输出信号功率Pso与输入信号Psi之比）表示式，噪声系数可表示为：,4.5.1 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F接近于1。或者说使放大器的输出信噪比接近于输入信噪比。,可得：,式中f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：,噪声系数主要是用于比较放大器的噪声性能，不一定是放大器噪声特性的最佳合适标志。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。只有在源电阻相同的情况下，减小噪声系数才有意义。,4.5.1 前置放大器的噪声,5、噪声匹配,当Rs较小时，放大器的噪声电压En项大于其他两项，随源电阻Rs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Rs增加到足够大时，放大器的噪声电流项InRs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Rs值时，噪声系数存在一个最小值，此时放大器在源热噪声基础上噪声增加最小，这个源电阻称做最佳源电阻R0。,可得：,上式被称为噪声匹配条件，此时得噪声系数最小值为：,4.5.1 放大器的噪声,满足噪声匹配条件时最小噪声系数与放大器的En和In的乘积有关。,4.5.2 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系数F1决定。因此在级联放大器设计中，尽量提高第一级的功率增益或电压增益，尽量压低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： 1、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。 2、考虑电路组态、级联方式及负反馈等以满足对放大器增益、频率响应、输入输出阻抗等方面的要求。 3、为获得良好的噪声性能，通常还要采取避免外来干扰的多种措施。,4.5.2 前置放大器的低噪声设计,1. 噪声匹配的方法,要使前置放大器获得最佳噪声性能，必须满足噪声匹配条件，即要求信号源阻抗等于最佳源阻抗。此时放大器的噪声系数最小。实现噪声匹配从几个方面考虑：,4.5.2 前置放大器的低噪声设计, 采用输入变压器实现噪声匹配 这种方法用于解决信号源电阻Rs小于最佳源电阻R0时的噪声匹配问题，如采用热电偶检测器件时就是这样。,根据变压器的变化关系，对于理想变压器，次级上的信噪比没有变化。而等效源电阻增为n2Rs，适当选择 n，可实现噪声匹配。, 利用并联放大器的方法实现噪声匹配 用N个全同的放大器并联连接。当各放大器的输入阻抗满足：,4.5.2 前置放大器的低噪声设计,则有：,R0为单个放大器的最佳源电阻,这种方法主要适用于放大器的最佳源电阻较大时。,4.5.2 前置放大器的低噪声设计, 无源器件的选取 无源器件包括电阻、电容、耦合变压器等。 低噪声电路中，一般都选用金属膜电阻器和绕线电阻器，因碳质与碳膜电阻的噪声指数较大（一般为十几到几十微伏以上）；而金属膜电阻器可做到小于0.21uV/V左右。 电容器的选择：主要用损耗角小的云母电容和瓷介电容来降低噪声。在大容量电容中，则选用漏电流很小的钽电解电容。 耦合变压器的构成主要考虑在外加磁场作用下，由于磁化不连续性而表现出的磁起伏噪声和外界干扰引入的噪声，因此要有好的磁屏蔽和静电屏蔽。,4.5.2 前置放大器的低噪声设计,2 . 低噪声放大器的屏蔽与接地,由于地回路电流的存在，在两接地点间存在电位差，形成干扰源，称为差模源。解决方法是改多点接地为单点接地。此种技术称为浮地技术。浮地端再用110k的电阻或一个小电容接地，加强对空间电磁场的屏蔽效果。,3 . 低噪声电路对电源电路的要求,对电源电路要求具有高的稳定度和良好的共模干扰电压抑制能力。,克服变压器共模干扰电压的办法是在初次级间采用良好的静电屏蔽和单端接地，以避免共模干扰电压形成循环通路。,一般稳压电源的稳定度为10-210-4，而低噪声系统要求电源稳定度为10-510-6。因此应采取相应措施提高稳定电源的稳定度。,4.5.3 检测器件和放大电路的连接,以光电二极管为例，介绍三种与IC放大器的典型连接方法：, 电流放大型 光电二极管处于短路工作状态，输出近似理想的短路电流，运算放大器处于电流放大状态，要求输入阻抗非常Zi小。 优点：输入阻抗低，响应速度高，噪声低，信噪比高。适用微弱信号检测。, 电压放大型 光电二极管与负载电阻并联接于IC放大器正端，RL取1M，光电二极管处于开路工作状态，输出近似理想的开路电压。 优点：运放漏电流远小于光电流，具有高输入阻抗。应用于光电开关，温度和频率特性不理想。, 阻抗变换型 光电二极管具有恒流源特性，内阻大，不宜于负载直接连接。采用阻抗变换器（如场效应管为前级的IC运放）将高阻抗电流源变换成低阻抗电压源，可实现信号幅度的最大输出。 特点：采用阻抗变换器输出功率提高(Rf/RL)2倍。时间特性较差，适用于缓变光信号检测中，可得到很高的功率放大倍数。采用场效应管前级的运放偏置电流很小，适用于光功率很小的场合。,4.5.3 检测器件和放大电路的连接,