光电探测器.pptx
《光电探测器.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光电探测器.pptx(80页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第第6章章 光电信号的变换光电信号的变换 及检测技术及检测技术2本章的主要内容本章的主要内容6.1光电信号检测电路的噪声光电信号检测电路的噪声6.2前置放大器前置放大器6.3常用电路介绍常用电路介绍6.4光电技术中的调制技术光电技术中的调制技术3光电检测系统组成光电检测系统组成光电检测系统组成第第6章章 光电信号的光电信号的变换及检测技术变换及检测技术4探测器接测量处理后信号处理的重要性!信号处理的重要性!理想白光干涉信号56.1光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声6.1.1 6.1.1 噪声的分类及性质噪声的分类及性质6.1.2 6.1.2 主要的噪声类型主要的噪声类型6.1.3 6.1.3
2、 噪声等效参量噪声等效参量6.1.4 6.1.4 前置放大器的噪声前置放大器的噪声本节包括以下几部分内容:6为什么要研究噪声?为什么要研究噪声?任何虚假的和不需要的信号称为噪声。任何虚假的和不需要的信号称为噪声。噪声总是伴随着测量信号存在噪声总是伴随着测量信号存在测量过程是一个去除噪声、复原真实信号的测量过程是一个去除噪声、复原真实信号的过程过程76.1.1噪声的分类及性质噪声的分类及性质外部干扰噪声:人为造成的和自然造成的干扰。内部噪声:人为噪声和固有噪声两类。噪声强度可采用噪声电压或噪声电流的均方值 、表示,有时简化为 、。而噪声电压或噪声电流的均方根值则可用 和 表示。固有噪声是随机过程
3、,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(6-1)8均方值为概率分布函数P(E)为(6-2)(6-3)96.1.2主要的噪声类型主要的噪声类型1.1.电阻热噪声(电阻热噪声(Thermalnoise)当电阻处于环境温度高于绝对零度的条件下,自由电子的热运动形成起伏变化的噪声电流。大小与极性随机变化,且长时间的平均值等于零。常用噪声电流的均方值 表示 式中R所讨论元件的电阻值;k玻尔兹曼常数,k=1.380650510-23J/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。(6-4
4、)(6-5)10图6-1电阻热噪声图6-2 电阻热噪声的等效电路112.2.散弹噪声(散弹噪声(Shotnoise)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,而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式中:q为电子电荷;IDC为流过电流的直流分量。散弹噪声与电路频率无关,因此它也是一种白噪声。(6-8)(6-9)图6-3散弹噪声的顺势变化12 又称闪烁噪声,它也是元器件中的一种基本噪声,通常是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。3.3.噪声(噪声(Flickernoise)噪声有以下经验
5、公式:式中:k1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0.81.3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。(6-10)13 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。该噪声的电流均方值为 4.产生产生复合噪声复合噪声(gr噪声,噪声,Generation-Recombinationnoise)式中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
6、电路的带宽。产生复合噪声与频率f有关,属于非白噪声。但在相对低频的条件下,即时,公式可简化为 该式与散弹噪声表达式相类似,可认为是近似的白噪声。(6-12)(6-13)14 这是热敏器件因其温度起伏所引起的噪声,该噪声用温度起伏的均方值表示 式中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.温度噪声温度噪声(6-14)6.背景辐射的光子噪声背景辐射的光子噪声 探测器在接收目标辐射的同时,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。156.1.3噪声等效参量噪声等效参量1.1.等效噪声带宽等效噪声带
7、宽电网络的等效噪声带宽是噪声量的一种等效表示形式,可定义为 带通型网络中等效带宽的物理意义 AP(f):放大器或网络的相对功率增益AP为放大器或网络功率增益的最大值;D(f)为等效于网络输入端的归一化噪声功率谱。(6-15)16系统的等效噪声带宽还可以用调制传递函数He(f)来表示 对于白噪声来说D(f)1,所以有 对于一个电压放大电路有 式中,AV(f)电路电压放大倍数的频率响应;AV:中心频率或零频时的电压放大倍数。于是有(6-18)(6-19)17设有一低通型电压放大器如图,它由电压放大倍数AV=50的放大器与RC低通滤波器组成,其放大倍数的频率响应为该复数的模AV(f)为图6-5 低频
8、放大器所以 式中,fH=为低通放大器的三分贝频率。(6-20)18 各种噪声可能不属于同一起因与类型,但是为了计算和分析的方便,可以用一个电阻的热噪声来等效,称为等效噪声电阻。图示的典型放大器,其噪声可由三部分组成,即输入电阻Ri的热噪声;放大器噪声和负载电阻RL的噪声。2.2.等效噪声电阻等效噪声电阻 图6-6 放大器等效噪声电阻192.2.等效噪声电阻等效噪声电阻 用电阻的热噪声 来等效放大器的噪声,负载电阻RL的热噪声为 图6-6 放大器等效噪声电阻(6-21)对应总输入噪声为 对应等效电阻为 。等效到输入端总等效电阻:20 这是一种将各噪声等效为放大器输入源电阻因等效升温而附加热噪声的
9、方法。Ri为源电阻,用Ri的热噪声表示输入源的噪声3.3.等效噪声温度等效噪声温度 式中,T0为参考温度(工作室温)。图6-7 放大器等效噪声温度21 假设放大器的噪声也等效到电阻RS上,相当于附加一个温差Teq在RS产生的热噪声,把Teq叫作等效噪声温度。于是等效在输入端的总噪声为 (6-23)图6-7 放大器等效噪声温度226.1.4前置放大器的噪声前置放大器的噪声Rs是信号源内阻;Es是信号源电动势;RL是输出负载;Pi,P0分别是输入、输出的信号功率;Ni是加到输入端的噪声功率;No是输出端的总噪声功率;于是噪声系数可定义为 1.1.噪声系数噪声系数(F,noise factor)输入
10、信噪比与输出信噪比的比值图6-8 线性四端网络下面对其有关特性进行讨论:(1)对于理想无噪声的网络有P0N0PiNi,即F1。当网络存在噪声时,P0N0PiNi,即F1。(6-26)23(2)噪声系数常用其分贝数FdB来表示(3)将网络功率增益AP引入上式,并设Ni经网络后输出噪声为Nio=APNi,则有所以,噪声系数又可定义为有噪声网络与无噪声网络输出噪声功率之比。(6-28)(6-29)如设网络内部产生的噪声功率在输出端为Nn,则(6-27)24如何选择信号源电阻使半导体三极管的噪声系数最小?半导体三极管的噪声主要包括散弹噪声、分配噪声、热噪声和1/f(闪烁)噪声。图6-9 三极管噪声等效
11、电路 2.半导体三极管的噪声系数半导体三极管的噪声系数恒压等效噪声源输入信号源电阻恒流等效噪声源基区电阻输入信号源电压分配噪声只存在于三极管中,是由于基区载流子分配噪声只存在于三极管中,是由于基区载流子的复合率有起伏,使得集电极电流和基极电流的的复合率有起伏,使得集电极电流和基极电流的分配有起伏,从而使集电极电流产生起伏。分配有起伏,从而使集电极电流产生起伏。恒压等效噪声源:基区电阻热噪声和分配噪声恒压等效噪声源:基区电阻热噪声和分配噪声恒流等效噪声源:发射结的散弹噪声和分配噪声恒流等效噪声源:发射结的散弹噪声和分配噪声25图6-9 三极管噪声等效电路 2.半导体三极管的噪声系数半导体三极管的
12、噪声系数在所考虑的频带范围内,如果噪声频谱是均匀的,三极管噪声系数为:式中,是Rs热噪声的均方值。恒压等效噪声源输入信号源电阻恒流等效噪声源基区电阻输入信号源电压26图6-9 三极管噪声等效电路(6-32)2.半导体三极管的噪声系数半导体三极管的噪声系数如果忽略电阻则,需要讨论在什么条件下噪声系数最小,即求dFdRs0的条件。经微分计算并整理则有要使噪声系数最小,应选用输入信号源电阻等于三要使噪声系数最小,应选用输入信号源电阻等于三极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比!极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比!27要使噪声系数最小,应选用输入信号源电阻等于三要使噪声系数最小,应选用输入
13、信号源电阻等于三极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比!极管等效输入噪声电压与噪声电流的均方根之比!2.半导体三极管的噪声系数半导体三极管的噪声系数OP27运算放大器的性能参数表286.2前置放大器前置放大器 1.1.选定探测器和相应的偏置电路以后就可知所获信号和噪声的大小。选定探测器和相应的偏置电路以后就可知所获信号和噪声的大小。2.2.用恒压信号源或恒流信号源来等效探测器和偏置电路的输出信号。用恒压信号源或恒流信号源来等效探测器和偏置电路的输出信号。3.3.同时用源电阻的热噪声来等效探测器和偏置电路的总噪声同时用源电阻的热噪声来等效探测器和偏置电路的总噪声 4.4.用最小噪声系数原则设
14、计前置放大器。用最小噪声系数原则设计前置放大器。图6-16 探测器与偏置电路的等效 296.2前置放大器前置放大器 1.输出信号较强时,前置放大器及后续放大器的设计主要考虑:增益、带宽、阻抗匹配和稳定性。2.输出信号弱时,应主要考虑抑制噪声。图6-16 探测器与偏置电路的等效 301.1.前置放大器设计的大致步骤前置放大器设计的大致步骤(2)从)从噪声匹配噪声匹配原则出发,原则出发,选择前置放大器第一级的管型,选择前置放大器第一级的管型,(3 3)在管型选定后,第一,二级应采用噪声尽可能低的器件,)在管型选定后,第一,二级应采用噪声尽可能低的器件,按照最佳源电阻的原则来确定管子的工作点,并进行
15、工作频率,按照最佳源电阻的原则来确定管子的工作点,并进行工作频率,带宽等参量的计算及选择。带宽等参量的计算及选择。(1 1)测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻)测试或计算光电探测器及偏置电路的源电阻Rs;图6-17 选用第一级放大器件的准则 31(1)根据所采用的光电探测器的噪声谱和选定放大器的典型噪声谱,确定工作(调制)频率。2.2.放大器设计中频率及带宽的确定放大器设计中频率及带宽的确定 典型探测器的噪声谱 (2)光电检测系统中按照白噪声的特点,工作频率选定后,应尽可能减小电路的频带宽度。32(3)当信号频率在一定范围内变化,不能选用固定频率的窄带滤波方式工作时,除确定必要的窄带外,可
16、采用设计选通积分器的方法来抑制噪声。图6-19带宽对矩形脉冲波形和复制的影响(4)在某些系统如脉冲系统中,为保持信号的波形,必须采用频带宽度较宽的处理电路,适当牺牲高频。下图说明了所需保持波形和电路3dB带宽f之间的关系。积分具有平均的作用333.放大器设计中的其它考虑放大器设计中的其它考虑(1)按)按最小噪声系数原则最小噪声系数原则设计前置放大器时,为减少后面各设计前置放大器时,为减少后面各放大级噪声对总噪声的影响,其电压放入倍数放大级噪声对总噪声的影响,其电压放入倍数AV1不应小于不应小于10倍,倍,从而使从而使F F1。(2)采用多级级联放大器时,总放大倍数)采用多级级联放大器时,总放大
17、倍数AV可分配到各级中,可分配到各级中,。(3)级间加入不同形式的负反馈电路,可以起到提高电路的)级间加入不同形式的负反馈电路,可以起到提高电路的稳定性,调整输入阻抗、调整放大倍数和改变带宽等作用。稳定性,调整输入阻抗、调整放大倍数和改变带宽等作用。(4)大部分光电检测系统要求有好的线性度和宽的动态范围,)大部分光电检测系统要求有好的线性度和宽的动态范围,在电路设计中应予考虑。在电路设计中应予考虑。(5)完成电路设计前应验证设计是否满足)完成电路设计前应验证设计是否满足噪声系数、电压放噪声系数、电压放大倍数、频带宽度、稳定性、阻抗匹配、线性度、动态范围等大倍数、频带宽度、稳定性、阻抗匹配、线性
18、度、动态范围等要要求。如不满足则应反复修正。求。如不满足则应反复修正。344.前置放大器的实例前置放大器的实例 图示为光电导探测器电路中的前置放大器电路图。它具有良好的线性度,电路是由A702A和A716两个集成器件构成。图6-20 前置放大器电路实例356.3常用电路介绍常用电路介绍 6.3.1选频放大器选频放大器6.3.2相敏检波器相敏检波器(相敏整流器、相敏解调器相敏整流器、相敏解调器)6.3.3相位检测器(鉴相器)相位检测器(鉴相器)6.3.4鉴频器鉴频器 6.3.5脉冲宽度鉴别器脉冲宽度鉴别器 6.3.6积分微分运算器积分微分运算器 6.3.7锁相环及锁相放大器锁相环及锁相放大器 本
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光电 探测器
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【可****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【可****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。