直接探测和外差探测要点

1第3章直接探测与外差探测光－电信号变换光电探测器光信号电信号00cos(2)EEvt响应平均光功率直接探测响应光的频率···相干探测2(1)基本物理过程：若探测器的负载电阻是RL，则光电探测器的输出功率为sss()cos()etEt光波：光功率：2)(ssEtPsisPRi1.直接探测的基本原理2220sLiLsPRRRiP平方定律：3(2)信噪比设输入的信号功率和噪声功率分别为si和ni，输出的分别为so和no。由平方律有2()ooiisnksn考虑到信号和噪声的独立性，可得输出信噪比为222()()12()2oiiiooiiiiisssnSNRnsnsnn讨论：（1）si/ni《1，则有，说明直接探测不适合微弱信号的探测；2()oiiossnn（2）si/ni》1，则有，转换后信噪比损失不大；1()2oiiossnn4(3)等效噪声功率具有内增益的光电探测器的电输出功率为输出的噪声功率为222220sLiLsPRRMRiMPLnTndnbnsnRiiiiP)(2222信号光电流：fieMisns222背景光电流：fieMibnb222暗电流：fieMidnd222电阻温度噪声电流：LBnTRfTki42对于光电二极管，M=1，对于光电导探测器前面的2改为4.输出信噪比为2222222)(nTndnbnssiooiiiiPRMns探测器的噪声等效功率为212212222]4)(2[1)(1LBdbsinTndnbnsisRfTkiiifeMMRiiiiMRPNEP5讨论：（1）热噪声优势2222ndnbnsnTiiii21)4(1LBiRfTkMRNEP（2）散粒噪声优势2222ndnbnsnTiiii21)](2[1dbsiiiifeRNEP（3）散粒噪声和热噪声相当2222ndnbnsnTiiii21)8(1LBiRfTkMRNEP（4）信号噪声极限，只考虑光信号噪声。fePRPPnssinsooo2)(fhNEP2heRi例：η为1，Δf为1Hz，NEP～2hν，已很接近单个光子的能量hν。光电二极管光电倍增管雪崩光电二极管6提高系统信噪比的基本途径：－－光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜·····－－－－－《应用光学》－－电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信号检测·······－－－－－热力学方法，制冷降低探测器噪声信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标72.直接探测的应用举例激光制导、飞行物自动跟踪激光稳频、机器人视觉·········几何量（长度、位移····）表面形状参量（工件粗糙度、伤痕···）光学参量（吸收、反射···）电磁量（电流、电场、磁场···）··············应用于测量：应用于控制：特点：信息加载－－辐通量（光强）83.3前置放大器的噪声匹配9当光信号功率较小时，光电探测器的电信号输出也相应地减小。为了信号处理、显示的需要，往往需要跟随前置放大器。放大器的引入对探测系统的输出信噪比将产生影响。光探测器及其偏置电路耦合网络低噪声前置放大器多级放大系统反馈电路放大器偏置电路后级信号处理电路光探测电路示意图10Vs－信号源，RS－信号源内阻，Ens－RS的热噪声En－放大器噪声电压源，In－放大器噪声电流源，Av－放大器电压增益，Zi－放大器的输入阻抗，Eni－放大器输入端的噪声电压，Eso－放大器的输出端电压，Eno－放大器输出端的总噪声电压EsoEno3.3.1前放噪声等效电路根据电路叠加原理，各噪声源在输出端的贡献分别为：•Ens的贡献为：En的贡献为：•In的贡献为：visinsEnoAZRZEEns)(visinEnoAZRZEEn)(visisnvisnInoAZRZRIAZRIEn)||()(Ens的贡献En的贡献In的贡献将上述各项均方相加便得总的输出噪声为：11)(222222222222)(2)(2)(2snnnsPvisisnvisinvisinsInoEnoEnonoRIEEKAZRZRIAZRZEAZRZEEEEEnnnsvisiVAZRZK因此等效输入噪声为：222222snnnsPnoniRIEEKEE－放大器的电压传递函数（考虑源在内的系统增益，注意和Av的区别！）2)(VPKK－放大器的功率传递函数可以看出，放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达式中。放大器便视为是无噪声的。12这个模型中所采用的各个参数容易测量。首先，源电阻Rs的热噪声Ens，可以由电阻的热噪声公式求出；其次计算放大器前的电路的开路输出噪声电压(或短路输出噪声电流)；然后折合到源端位置就得到等效输入噪声电压Eni的大小。放大器的输入信噪比为：22nssiiEVnS放大器的输出信噪比为：2222222snnnssniPspooRIEEVEKVKnS)1(22222nssnnsniiooERIEEnSnS放大器噪声的存在，使放大器的输出信噪比受到损失。132.噪声系数（NoiseFactor）：输出端总噪声功率源电阻产生的输出噪声功率F=即Kp为放大器系统的功率增益（1）基本定义pnsnoKEEF22从输出端角度出发14（2）推导式一总的等效输入噪声功率输入端源电阻噪声功率F=上下同除以Kp，即22222222222/nssnnnsnsninspnopnsnoERIEEEEEKEKEEF放大器噪声总是存在，F大于1的原因从输入端角度出发从输入端角度出发15（3）推导式二放大器输入噪声功率输入端源电阻噪声功率F=222222222221nssnnnssnnnsnsniERIEERIEEEEF1+16（4）推导式三输入端信噪比输出端信噪比F=oinosonssinssonosisisonsnopnsnoNSNSEEEEEEEEEEEEKEEF)/()/(//)/(22222222222222不为Eni，此时输入端噪声功率仅为源电阻产生的热噪声功率oiNSNSNF)/()/(lg10用分贝表示则写成：17放大器的噪声系数的定义表示信号通过放大器后，信噪比变坏的程度：•如果放大器是理想的无噪声的线性网络，那么其输入端的信号与噪声得到同样的放大，即输出端的信噪比与输入端的信噪比相同，于是F=1或NF=0dB；•如果放大器本身有噪声，又无滤波功能(如前放一般不采取带限措施)，信号通过放大器后，则信号和噪声都同样放大，则输出噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和。对这样的放大器，信号经放大后，信噪比不可能变好，输出端的信噪比就比输入端的信噪比低，则F1。噪声系数意义：oiNSNSNF)/()/(lg10求偏导：得：因此，当信号源的内阻等于放大器的源电阻时噪声系数NF取得最小值180441222fkTIfkTERRFnnssoptsnnsRIER)(记作fkTIEfkTIEfkTIEFnnnnnn21441min与功率匹配区别！当信号源的内阻等于放大器的最佳源电阻值时，放大器对检测电路附加的噪声最小，称为信号源与放大器之间达到了噪声匹配。这是低噪声设计的一个重要原则。称此时的源电阻为放大器的最佳源电阻，记为Ropt当Rs=Ropt时，可使放大器的噪声系数为最小，这时源电阻和放大器的配置称为“噪声匹配”，这是低噪声设计的一个重要原则。3.3.3匹配方法1.最佳源电阻sfRkTEns4222221nssnnERIEF19nnsoptIER＝fkTIEF21nnmin＝202.放大器最佳源电阻与实际源阻抗的匹配方法1、用输入变压器实现噪声匹配（1）应用对象：信号源电阻小于最佳源电阻情形下。（2）原理：选用适当变压比源电阻的阻抗升高n2倍。212、利用并联放大器的方法实现噪声匹配N个完全相同的放大器并联，如下图所示，该方法等效于减小并联以后的等效噪声电压和电流并联后的噪声系数min')21lg(10minNFfkTIENFnn结论，多管并联可减小最佳源电阻，但不会影响并联后的噪声系数。各种典型探测器的内阻和响应时间探测器内阻（Ω）响应时间（s）低阻热电偶1~1010-2~1蒸发型热电偶50~20010-3~10-2金属测辐射热计1~1010-2~10-1PIN型锗二极管~50~10-7HgCdTe（PV77K）2.5~50~10-8HgCdTe（PC77K）20~5010-8~10-7中阻锗测辐射热计（2.1K）1044×10-4碳测辐射热计（2.1K）105~10610-2PbS（PC常温）105~1075×10-5~5×10-4PbSe（PC常温）106~107~2×10-6InSb（PV77K）103~10510-6高阻Ge:Au（PC77K）105~10710-6热释电探测器~1083×10-9~4×10-522习题•（1）最佳源电阻是信号源的参数，还是前放的参数。它的表达式是什么？式中各项代表什么？什么是噪声匹配。•（2）已知集成运算OP07E的噪声参数En＝10.3nV，In＝0.32pA，试计算应用于Rs＝100kΩ，Δf＝1Hz及T＝300k时，其NF及Eni值•（3）根据下列条件判断那一种器件产生的等效输入噪声最小：–a．在Rs＝10kΩ时，测出其NF＝20dB。–b．在Rs＝1MΩ时，测出其NF＝20dB。2324二.多级放大器噪声系数NFPni三级放大器的噪声系数KP1Pn1F1KP2Pn2F2KP3Pn3F3PnoF1,2,3总的输出噪声功率Pno为323132321nnpnppnipppnoPPKPKKPKKKP总的输出噪声系数F为nipppnnippnnipnnipppnonipnoPKKKPPKKPPKPPKKKPPKPF321321211321125考虑第一级放大器单独和源相连接时，得到噪声功率和噪声系数为：111nniponPPKP考虑每个放大器单独和源相连接时，得到：niPnniPonPKPPKPF111111nipnPKPF2221nipnPKPF3331nipppnnippnnipnnipppnonipnoPKKKPPKKPPKPPKKKPPKPF3213212113211代入21312111pppKKFKFFF对于n级放大器，可以得出其噪声系数为：这就是多级放大器的噪声系数理论的Friis公式261212131212,1111pnppnpppnKKKFKKFKFFF从这个公式可以看出：•如果第一级的功率增益Kp1很大，则多级放大器噪声系数的大小，主要取决于第一级放大器的噪声系数F1。设计中，为了使多级放大器的噪声系数减小，应尽量提高第一级的功率放大倍数Kp1；尽量减小第一级的噪声系数，这就是指导我们设计低噪声前放的又一个重要原则。•如果第一级的功率增益不是很大，减小噪声系数的关键在于使本级具有高增益和低噪声。总结放大器的噪声模型：等效输入噪声：噪声系数：噪声匹配——最佳源电阻Friis公式—与探测器直接相连接的放大器必须是低噪声的。273.5相关检测28利用信号在时间上相关这一特性，可能把深埋于噪声信号中的周期信号提取出来，这种提取方法称为相关检测或相关接收。信号的相关性用相关函数来描述，它代表线性相关的度量，是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要统计参量。291.相关函数3.5.1相关原理相关函数分为自相关函数和互相关函数。1）自相关函数TTTxxtτtxtxTτRd)()(21lim)(*ԏ为延迟时间，T为观察时间，x(t)是随机过程的一个样本函数。根据Wiener-