光電檢測電路的低噪聲設(shè)計(jì)

1、光電檢測電路的低噪聲設(shè)計(jì)第1頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一系統(tǒng)噪聲外部噪聲內(nèi)部噪聲包括：輻射源的隨機(jī)波動(dòng)和附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)的湍流和背景起伏、雜散光的入射以及檢測電路所受到的電磁干擾等 可以通過穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振片或?yàn)V色片減小或消除，對(duì)電磁干擾采用電氣屏蔽、電干擾濾波等措施加以改善或消除。 光電檢測器件、檢測電路等器件的固有噪聲，是基本物理過程決定的，不可人為消除。噪聲和有用信號(hào)同時(shí)存在、相互混淆，影響信號(hào)檢測的準(zhǔn)確性，限制了檢測系統(tǒng)分辨率的提高 。光電信號(hào)處理的核心問題之一就是有關(guān)噪聲干擾的分析以及如何從噪聲中提取有用信號(hào)。因此，在光電檢測電路

2、設(shè)計(jì)中，要進(jìn)行綜合噪聲估算以確?？煽繖z測所必需的信噪比。 10.2 光電檢測電路的低噪聲設(shè)計(jì)第2頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一10.2 光電檢測電路的低噪聲設(shè)計(jì)問題的提出 探測器噪聲輸入偏置電路噪聲 前置放大器噪聲噪聲源: 光電檢測電路噪聲第3頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一10.2 光電檢測電路的低噪聲設(shè)計(jì)問題的提出 主要內(nèi)容: 前置放大器噪聲設(shè)計(jì)光電檢測電路的噪聲等效處理及估算第4頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一1噪聲類型 熱噪聲是導(dǎo)電材料中由于載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而在材料兩端產(chǎn)生的隨機(jī)漲落電壓，是電阻性電路器件的共

3、性噪聲。噪聲電壓均方值取決于材料的溫度 噪聲功率與頻率無關(guān)，為白噪聲檢測電路通頻帶對(duì)白噪聲輸出電壓有很強(qiáng)的抑制作用 如對(duì)于室溫下R=1M電阻: 電路放大倍數(shù)為1光電檢測電路的噪聲等效處理及估算第5頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一散粒噪聲探測器的散粒噪聲是由載流子的由載流子的微粒性引起的。光輻射中光子到達(dá)率的起伏，光電子從材料表面逸出的隨機(jī)性，PN結(jié)中過結(jié)數(shù)的隨機(jī)性。電荷載體數(shù)量的任何波動(dòng)都會(huì)在那個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生隨機(jī)的電流，這就是散粒噪聲。和熱噪聲不同，散粒噪聲的量值不取決于溫度，而由流過器件的平均電流決定，散粒噪聲電流和電壓均方值 ： 散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)。 散粒噪

4、聲是光電探測器的固有特性，對(duì)大多數(shù)光電探測器的研究表明，散粒噪聲具有支配地位。第6頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一因光或熱激發(fā)產(chǎn)生載流子和載流子復(fù)合這兩個(gè)隨機(jī)過程，在平衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的，但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)會(huì)使載流子濃度起伏引起電流隨機(jī)起伏， 產(chǎn)生與復(fù)合噪聲噪聲電流相對(duì)低頻狀況1/f噪聲閃爍噪聲：稱1/f 噪聲或低頻噪聲，由元器件中存在局部缺陷或有微量雜質(zhì)所引起的；噪聲電流第7頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一2 噪聲等效處理 將各種器件的噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式 a 單一電阻b

5、電阻串聯(lián)c 電阻并聯(lián)綜合噪聲電流：a 電阻電路 第8頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一等效噪聲帶寬:b 并聯(lián)RC電路： 并聯(lián)RC電路對(duì)噪聲的影響相當(dāng)于使電阻熱噪聲的頻譜分布是由白噪聲變窄為等效噪聲帶寬fe等效噪聲帶寬 第9頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一確定器件和電路的固有噪聲電平計(jì)算信噪比估算出為保證可靠檢測所必須的最小輸入光功率值3 典型光電檢測電路的噪聲估算 檢測電路噪聲估算的目的：噪聲估算的具體步驟是： 首先確定檢測器件和前級(jí)電路的噪聲源其次計(jì)算等效電阻和復(fù)合阻抗下的噪聲等效帶寬，畫出檢測電路的噪聲等效電路最后根據(jù)噪聲等效電路計(jì)算噪聲輸出電

6、壓、信噪比和最小輸入光功率值第10頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一例1：P332 ,光電倍增管的陰極積分靈敏度SK=30A/lm，陽極積分靈敏度SA=10A/lm，陽極暗電流Id=4nA，輸出電路的負(fù)載電阻為R=105，并和電容C=0.1F并聯(lián)，陰極面積為80mm2，陽極輸出的信號(hào)電流為10A.第11頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一光電倍增管 噪聲源光電陰極和倍增極的散粒噪聲 負(fù)載電阻R上的熱噪聲 主要噪聲噪聲等效帶寬噪聲等效電路電路帶寬 等效噪聲帶寬 第12頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一光電倍增管 陽極輸出噪聲電流為：

7、 陽極輸出總信噪比: 最小輸入光功率值:負(fù)載噪聲電壓為： 第13頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一第14頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一性能上：低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號(hào)帶寬和負(fù)載能力，以及良好的線性和抗干擾能力結(jié)構(gòu)上：緊湊、靠近光電探測器件，良好的接地和屏蔽光電信號(hào)前置放大器的設(shè)計(jì) 前置放大器的任務(wù)：放大光電探測器輸出的微弱電信號(hào)匹配后置處理電路與探測器件之間的阻抗 對(duì)前置放大器的要求：第15頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一 1.放大器EnIn噪聲模型 EnIn噪聲模型將放大器內(nèi)部的所有噪聲源都折算到輸入端，即

8、用阻抗為零的噪聲電壓發(fā)生器En和輸入端串聯(lián)，用阻抗為無限大的噪聲電流發(fā)生器In和輸入端并聯(lián)，而放大器內(nèi)部成為一個(gè)無噪聲的理想放大電路。2.等效輸入噪聲： 第16頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一2.等效輸入噪聲： 放大器輸入端噪聲電壓：第17頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一2.等效輸入噪聲： 3.EnIn的測量En的測量方法：在放大器輸入端短路，即信號(hào)源內(nèi)阻Rs0 的條件下測量總輸出噪聲，即為AvEn，然后除以放大器增益Av，就得到En。In的測量方法：采用大的（信號(hào)）源電阻（或輸入端開路）條件下，測得放大器輸出噪聲電壓，除以系統(tǒng)增益Av和Rs，就

9、得到In。 第18頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一4.噪聲系數(shù):NF=10lgF （dB）用分貝表示： 噪聲系數(shù)F反映了放大器的噪聲使系統(tǒng)信噪比變壞的程度，是衡量放大器噪聲性能好壞的重要指標(biāo)。低噪聲設(shè)計(jì)的目的既是使NF盡可能的小。 第19頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一5. 噪聲匹配當(dāng)探測器的內(nèi)阻等于放大器的最佳源電阻值時(shí)，放大器對(duì)檢測電路附加的噪聲最小，稱為探測器與放大器之間達(dá)到了噪聲匹配。 最佳源電阻第20頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一n級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路噪聲系數(shù)： AP1很大時(shí)，F(xiàn) F1前置放大器的噪聲貢獻(xiàn)例1：光電倍

10、增管和雪崩光電二極管 高內(nèi)增益 例2：光電二極管 無內(nèi)增益 最佳源電阻 噪聲系數(shù)最小第21頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一6低噪聲設(shè)計(jì)有源器件的選取常用器件最佳源電阻分布示意圖Rs較小時(shí)：100-1M，如光電池，選用由晶體管或集成運(yùn)放構(gòu)成的低噪聲放大電路。Rs較大時(shí)：1K-10M，選用由場效應(yīng)管構(gòu)成的低噪聲放大電路。Rs再大時(shí)：1M-10G，選用由MOS場效應(yīng)管構(gòu)成的低噪聲放大電路。采用輸入變壓器耦合：根據(jù)變壓器的變化關(guān)系，次級(jí)上的信噪比沒有變化，而等效源電阻卻增為n2RS，適當(dāng)選擇n，可實(shí)現(xiàn)噪聲匹配。適用于源電阻較小時(shí)。1）噪聲匹配的方法第22頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期一輸入放大器并聯(lián)適用于源電阻較小時(shí)或放大器的最佳源電阻較大時(shí)。 與探測器串聯(lián)的阻抗元件，應(yīng)滿足： 與探測器并聯(lián)的阻抗元件，應(yīng)滿足：無源器件的選取電阻：選用噪聲較小的金屬膜或繞線電阻電容：損耗角小的云母電容器或瓷介電容器變壓器：好的磁屏蔽和靜電屏蔽2低噪聲放大器的屏蔽與接地3低噪聲放大器對(duì)電源的要求第23頁，共25頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)28分，星期