光电检测电路的带宽和频率特性

光学信号变换光－电信号变换电学信号变换前置放大器信号处理显示光电探测器光学系统目标背景偏置电路光电检测电路调制器第10章光电检测电路与信号处理光电检测器件：光电变换核心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。前置放大及耦合电路：输入信号的精确检测光电检测电路前置放大器信号处理显示光电探测器光学系统目标背景偏置电路光电检测电路调制器前置放大器信号处理显示光电探测器光学系统目标背景偏置电路光电检测电路调制器基本任务光电检测电路偏置电路设计（静态设计）频率响应设计（动态设计）噪声特性设计10.1.1检测电路的基本结构和技术要求1.带宽的含义K(f)ffLCfHC70.7%100%Df=fHC－fLC≈fHC10.1.2检测电路的带宽带宽ΔfΔf太小，频率失真（波形失真）Δf太大，噪声大（例：热噪声）电路带宽Δf根据信号的频谱特性来确定2.带宽对信号质量的影响带宽选择的原则：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。3.如何确定检测电路带宽？1）正弦波检测电路的带宽载波频率为f0调制频率为F电路带宽Df＝2F2fBFD正弦调幅：21ffBmFD正弦调频：Ttd2）脉冲波信号的带宽分析td－脉冲宽度dmd2()022tAtSttTt，，0n01()cos2πnStbbnftd0dnm0d2sinππtnftbATnft脉冲波频谱分析脉冲重复频率f0=200kHz，脉宽td=0.5μs2）脉冲波信号的带宽分析主要能量在第一过零点内，周期性矩形脉冲信号的带宽为：传送的矩形脉冲的脉冲宽度越窄，要求电路的带宽也越大。0n01()cos2πnStbbnftd0dnm0d2sinππtnftbATnftT1主要频谱能量范围0d1/nft0d1/BnftB0sin00ddtfntfnTtddtfn0电路带宽增大，信号峰值功率增加－常数电路带宽增大，噪声功率增加－最佳带宽最佳带宽要求信噪比高：要求脉冲形状好：3.如何确定检测电路带宽？3.如何确定检测电路带宽？正弦调制信号:Ff2D脉冲波信号：d1(0.25~0.75)ftDtd为脉冲宽度振幅调制：Fmff12D频率调制：要求信噪比高：要求脉冲形状好：d14ftD（1～）1．光电检测电路的高频特性耦合电容对高频信号可视为短路tEEemsin0输入光照度：由图可得：giCjiGiGiUiiiieSgjjbbLLLgjbLEjbLELCjGGgeSU10.1.3光电检测电路的频率特性分析与设计1．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jbLELCjGGgeSU)(1bLjbLEGGgCjGGgeS耦合电容对高频信号可视为短路1．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jGGgeSUbLEL1称为检测电路的时间常数bLjGGgC其中可见检测电路的频率特性，不仅与光电二极管的参数Cj和g有关，还取决于放大电路的偏置电阻和负载检测电路的上限截止频率：21HCfa给定输入光照度，在负载上取最大功率输出满足的条件是：RL=Rb,gGb2jLCRjLHCCRf1bLjGGgC21HCfLbmEmGGgESUbLGgGb负载上取最大电压输出：RL》Rb,gGbjbCRjbHCCRf21bLjGGgC21HCf为从光电二极管中得到足够的信号功率和电压，负载电阻RL和Rb不能很小。但过大的阻值又使高频截止频率下降，降低了通频带宽度，因此负载的选择要根据增益和带宽的要求综合考虑。c负载上取最大电流输出：RL《Rb,且g很小jLCRjLHCCRf21bLjGGgC21HCf在电流放大的情况下，负载RL取得很小，由后级放大得到足够的信号增益，因此，可以采用低输入阻抗、高增益的电流放大器使检测器工作在电流放大状态，以提高频率响应。jeSRuELL12jLHCjLCRfCR120jeSRuEbL1jbHCjbCRfCR210jeSRuELL1jLHCjLCRfCR2101)给定光照度输出最大功率RL=RbGbg2)输出最大电压RLRbGbg3)输出最大电流RbRLg很小RL和Rb的选取考虑增益和带宽光电检测电路的频率特性2．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。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。2．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：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。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数。121nHCnHCff12/1nLCnLCff例：用2DU1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a所示，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，为保持较好的脉冲形状输出，设计该电路的阻容参数。例：用2DU1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a所示，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。①分析光信号频谱，确定检测电路的总频带宽度解：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Δf＝1/T＝200kHz频谱包络线零值点的分布间隔为F＝1/t0＝2MHzd14ftD（1～）电路带宽（准确保持脉冲形状）选取频谱包络线的第二峰值作为信号的高频截止频率，fHC＝3MHz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200Hz，带宽近似为ΔF≈3MHz。②确定级联各级电路的频带宽MHzffffnnHCHCnHCnHC6121211HzffffnnLCLCnHCnLC1021212/11③计算输入电路参数取Rb＝(10～20)RL，即Rb＝10RL＝20kΩ级间耦合电容C值是由低频截止频率决定：计算为C＝0.07μF，取为C＝1μF，对于第一级耦合电容可适当增大10倍，取电容值为10μF。由输入电路的确定输入电路形式MHzfHC6电流放大kCCfRjHCL3.3)(210kRL2取电流放大时LbRRCRRfLbLC)(21④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2kΩ，放大器通频带要求为6MHz，取为10MHz。输入级电路前置放大器后续放大器6MHz6MHz6MHz