第6章-光电信号的变换及检测技术

LOGO第6章光电信号的变换及检测技术CompanyLogo、光电转换能力强具备较强的光电转换能力，是对光电检测电路的最基本要求。表示光电转换能力强弱的参数，通常采用光电灵敏度，即单位输入光信号的变化量所引起的输出信号的变化量。光电检测电路的设计要求2、动态响应速度快光电检测电路应满足信号通道所要求的频率选择性或对瞬变信号的快速响应。CompanyLogo、信号检测能力强信号检测能力，主要是指光电检测电路输出信号中有用信号成分的多少，常用信噪比、功率等参数表征。通常要求光电检测电路具有可靠检测所必须的信噪比或最小可检测信号功率。光电检测电路的设计要求4、稳定性、可靠性好光电检测电路在长期工作的情况下应该稳定、可靠，特别是在一些特殊场合下，对稳定性、可靠性的要求会更高。CompanyLogo光电探测器中的噪声噪声外部原因内部原因人为噪声自然噪声散粒噪声产生－复合噪声1/f噪声热噪声温度噪声放大器噪声6.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo噪声的分类及性质噪声强度可采用噪声电压或噪声电流的均方值、表示。简化为、，均方根值则可用和表示。2nE2nI2nE2nInEnI固有噪声是随机过程，噪声电压的瞬时值可取不同值E1，E2，…Ei，而对应出现的概率P(E1)，P(E2)，…，P(Ei)，…，其分布规律符合高斯分布。n次采样的算术平均值E为nEEEEEni/][216.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo电阻热噪声（Thermalnoise）由自由电子的热运动形成起的伏变化的噪声电流（k0）。常用噪声电流的均方值表示2nTIRfkTInT42式中R——所讨论元件的电阻值；k——玻尔兹曼常数，k=1.3806505×10-23J/K；T——电阻所处环境的绝对温度；f——所用测量系统的频带宽度。6.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo电阻热噪声（Thermalnoise）6.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo散弹噪声（又称散粒噪声）元器件中有直流电流通过时，直流电流值只表征其平均值；微观的随机起伏形成散弹噪声，并叠加在直流电平上。散弹噪声的电流均方值为fqIIDCnsh22q——为电子电荷；IDC——为流过电流的直流分量。散弹噪声的顺势变化6.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo由元器件中存在局部缺陷或有微量杂质所引起的。在探测器、电阻、晶体管及电子管中均有这类噪声。3.噪声（Flickernoise）f1噪声有以下经验公式：ffIkIn12k1——与元件有关的参数；——与流过元器件电流有关的常数，通常取＝2——与元器件材料性质有关的系数，约在0.8~1.3之间，常取＝1。噪声的电流均方值与电路频率f成反比，所以称之为噪声，它不为白噪声，噪声功率谱集中在低频，有时又称其为低频噪声。f1f16.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo光电导探测器因光(或热)激发产生载流子和载流子复合(或寿命)这两个随机性过程，引起电流的随机起伏形成产生–复合噪声。4.产生–复合噪声(g—r噪声)I——流过光电导器件的平均电流；——载流子的平均寿命；e——载流子在光电导器件两电极间的平均漂移时间；f——测量电路的带宽。fqIIcn)/(42该式与散弹噪声表达式相类似，可认为是近似的白噪声。6.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo因其温度起伏所引起的噪声。k一波尔兹曼常数；T—热敏器件的绝对温度；GQ—器件的热导。5.温度噪声)1(42222wGfkTTQn6.背景辐射的光子噪声探测器接收目标辐射，也接收到目标以外其它物体的辐射，这些辐射也是一种不连续的起伏过程。这种因背景辐射起伏引起探测器产生的噪声叫做背景辐射的光子噪声。6.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo前置放大器是指置于信源与放大器级之间的电路或电子设备（第一级放大器），是专为接收来自信源的微弱电压信号而设计的。前置放大器在放大有用信号的同时也将噪声放大，低噪声前置放大器就是使电路的噪声系数达到最小值的前置放大器。6.1.3前置放大器的噪声6.1光电信号检测电路的噪声探测器前置放大Cs辐射源主放大器屏蔽电缆线探测器前置放大Cs辐射源主放大器屏蔽电缆线CompanyLogo从探测器输出端获得所需的电信号（能量、时间）；2.预放大探测器的输出信号，以获得较好的信号噪声比；3.进行阻抗变换和匹配，减少信号传输中的干扰。放大倍数以及成形时间常数的调节，则主要由主放大器来完成。前置放大器一般可认为是一个阻抗转换器，具有高输入阻抗、低输出阻抗。探测器通常要求后级有高的输入阻抗以利于信号输出；主放大器则要求有能与其阻抗相匹配的低的输出阻抗及传递信号。6.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo基本放大电路及其模型按输入信号与输出信号的不同组合方式，放大电路有四种基本类型：iouoiouo输出信号xo跨导增益ui跨导放大器跨阻增益ii跨阻放大器电流增益ii电流放大器电压增益ui电压放大器电路增益(放大能力)输入信号xi类型iouuuA/ioiiiA/ioriuA/ioguiA/xixo放大器信号源负载下面介绍四种放大器的简单模型，了解它们之间的本质区别和联系。CompanyLogo放大器信号源负载+ui-+uo-iiio对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。信号源内阻信号源输入电压输入电流输出电压输出电流RsusRiu’oRORL输入电阻输出电阻输入电阻Ri：用来描述放大电路对信号源索取电流的大小，也表示放大器对信号源的影响程度。——从放大电路输入端看进去的等效电阻。,/iiiiuR输出电阻Ro：——描述放大电路带负载能力的指标。CompanyLogo（1）电压放大器：输入是电压信号，输出也是电压信号，是一种电压控制电压源。LoLiuooRRRuAuRsusRiAuouiRoRL+ui-+uo-iiio电压增益Au：LoLuoiouRRRAuuA当RL=∞时，Au=Auo，Auo称为开路电压增益Ro越小，Au越稳定，放大器的带负载能力越强。,sisiiuRRRu为使ui尽可能接近us提高电源利用率，Ri越大越好。输入电阻Ri：,iiiiuR为提高电源利用率和带负载能力，设计电压放大器时应满足RoRL，RiRs。理想电压放大器的条件是Ro=0和Ri=∞，此时，Au恒等于Auo，而其电流增益和功率增益恒等于无穷大。CompanyLogo（2）电流放大器：输入信号是电流，输出信号也是电流，是一种电流控制电流源。输入电阻Ri：LooiiooRRRiAi,/iiiiuR电流增益Ai：当RL=0时，Ai=Aio，Aio称为短路电流增益Ro越大，Ai越稳定，放大器的带负载能力越强。,siSSiiRRRi为使ii尽可能接近is提高电源利用率，Ri越小越好。RsisRiAioiiRoRL+uo-+ui-iiioLooioioiRRRAiiA为提高电源利用率和带负载能力，设计电流放大器时应满足RoRL，RiRs。理想电流放大器的条件是Ro=∞和Ri=0，此时，Ai恒等于Aio，而其电压增益和功率增益恒等于无穷大。CompanyLogo（5）四种基本放大器的区别和联系区别是：①增益的量纲不同②对输出电阻的要求不同③对输入电阻的要求不同以电压作为输出量的放大器要求RoRL以电流作为输出量的放大器要求RoRL以电压作为输入量的放大器要求RiRs以电流作为输入量的放大器要求RiRs④适用场合不同电压放大器和跨阻放大器适用于负载电阻较大的场合，多用于信号的前置放大和中间放大。电流放大器和跨导放大器适用于负载电阻较小的场合，多用于电子系统的输出级或执行机构的驱动电路。CompanyLogo耦合方式直接耦合：电路简单，能放大交、直流信号，各级静态工作点“Q”互相影响，不利于调整，零点漂移严重；电路利于集成化，低频特性好。阻容耦合：各级静态工作点“Q”相互独立，只放大交流信号；不利于集成化，低频特性差。光电耦合：主要用于耦合开关信号，抗干扰能力强。变压器耦合：各级静态工作点“Q”相互独立，可实现阻抗的变换；用于选频放大器、功率放大器等；不利于集成化，低频特性差。6.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo对于微弱信号检测仪器或设备，前置放大器是引入噪声的主要部件之一。整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系数。仪器可检测的最小信号也主要取决于前置放大器的噪声。6.1.3前置放大器的噪声6.1光电信号检测电路的噪声前置放大器在放大有用信号的同时也将噪声放大。CompanyLogo）放大器的噪声系数放大器无噪声时的输出噪声功率指仅由输入噪声经放大引起的输出噪声功率。F值越大，说明放大器内部噪声源在输出端产生的噪声功率占输出总噪声功率的比重越大。噪声功率放大器无噪声时的输出输出总噪声功率F6.1.3前置放大器的噪声6.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo设放大器输入噪声功率为Pni，输出噪声总功率为Pno，放大器的放大倍数为Kp，有：设放大器的输入信号功率为Psi，输出信号功率为Pso，Pso＝KpPsi这里的信噪比不是电压比，而是功率比。对于一个无噪声的放大器，F=1,对于具有内部噪声源的实际放大器，F1。pninoKPPFoinosonisisipnisinoSNRSNRPPPPPKPPPF////6.1.3前置放大器的噪声6.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo噪声系数F常用dB表示为噪声因数NF:NF表征在不可避免的信号源噪声之上由放大器增加的噪声功率。)(lg10dBFNF6.1.3前置放大器的噪声6.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo为简单计，设级数M=3，各级放大器本身产生的噪声功率分别为P1，P2，P3，第一级放大器的输入噪声功率为Pni，则最后一级的输出噪声功率Pno为增益K1噪声系数F1内部噪声P1增益K2噪声系数F2内部噪声P2增益KM噪声系数FM内部噪声PM放大器1放大器2放大器MPiPo1Po2PoRsEs323132321PPKPKKPKKKPnino多联放大器的噪声系数6.1光电信号检测电路的噪声CompanyLogo