光電檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性

光電檢測(cè)電路的帶寬和頻率特性第1頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光電檢測(cè)器件：光電變換核心偏置電路：連接光電檢測(cè)器件和前置放大及耦合電路的中間環(huán)節(jié)，為光電器件提供正常的電路工作條件，同時(shí)完成與前置放大及耦合電路的電路匹配。前置放大及耦合電路：輸入信號(hào)的精確檢測(cè)光電檢測(cè)電路第2頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基本任務(wù)光電檢測(cè)電路偏置電路設(shè)計(jì)（靜態(tài)設(shè)計(jì)）頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)（動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)）噪聲特性設(shè)計(jì)10.1.1檢測(cè)電路的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求第3頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.帶寬的含義K(f)ffLCfHC70.7%100%Df=fHC－fLC≈fHC10.1.2檢測(cè)電路的帶寬第4頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月帶寬ΔfΔf太小，頻率失真

（波形失真）Δf太大，噪聲大

（例：熱噪聲）電路帶寬Δf根據(jù)信號(hào)的頻譜特性來(lái)確定2.帶寬對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響帶寬選擇的原則：

保持信號(hào)頻譜中絕大部分能量通過(guò)而削掉部分頻譜能量較低的高頻分量。盡量做到在不失真的情況下提高信噪比。

第5頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.如何確定檢測(cè)電路帶寬？1）正弦波檢測(cè)電路的帶寬載波頻率為f0調(diào)制頻率為F電路帶寬Df＝2F正弦調(diào)幅：正弦調(diào)頻：第6頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Ttd2）脈沖波信號(hào)的帶寬分析

td－脈沖寬度第7頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月脈沖波頻譜分析脈沖重復(fù)頻率f0

=200kHz，脈寬td=0.5μs第8頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）脈沖波信號(hào)的帶寬分析

主要能量在第一過(guò)零點(diǎn)內(nèi)，周期性矩形脈沖信號(hào)的帶寬為：傳送的矩形脈沖的脈沖寬度越窄，要求電路的帶寬也越大。

主要頻譜能量范圍Ttd第9頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電路帶寬增大，信號(hào)峰值功率增加－常數(shù)電路帶寬增大，噪聲功率增加－最佳帶寬最佳帶寬要求信噪比高：要求脈沖形狀好：3.如何確定檢測(cè)電路帶寬？第10頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.如何確定檢測(cè)電路帶寬？正弦調(diào)制信號(hào):脈沖波信號(hào)：td為脈沖寬度振幅調(diào)制：頻率調(diào)制：要求信噪比高：要求脈沖形狀好：第11頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1．光電檢測(cè)電路的高頻特性

耦合電容對(duì)高頻信號(hào)可視為短路輸入光照度：由圖可得：10.1.3光電檢測(cè)電路的頻率特性分析與設(shè)計(jì)第12頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1．光電檢測(cè)電路的高頻特性

10.1.3光電檢測(cè)電路的頻率特性分析與設(shè)計(jì)耦合電容對(duì)高頻信號(hào)可視為短路第13頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1．光電檢測(cè)電路的高頻特性

10.1.3光電檢測(cè)電路的頻率特性分析與設(shè)計(jì)稱為檢測(cè)電路的時(shí)間常數(shù)

可見檢測(cè)電路的頻率特性，不僅與光電二極管的參數(shù)Cj和g有關(guān)，還取決于放大電路的偏置電阻和負(fù)載檢測(cè)電路的上限截止頻率：第14頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a給定輸入光照度，在負(fù)載上取最大功率輸出

滿足的條件是：RL=Rb,g<<Gb第15頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月b負(fù)載上取最大電壓輸出：RL》Rb,g<<Gb

為從光電二極管中得到足夠的信號(hào)功率和電壓，負(fù)載電阻RL和Rb不能很小。但過(guò)大的阻值又使高頻截止頻率下降，降低了通頻帶寬度，因此負(fù)載的選擇要根據(jù)增益和帶寬的要求綜合考慮。第16頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月c負(fù)載上取最大電流輸出：RL《Rb,且g很小在電流放大的情況下，負(fù)載RL取得很小，由后級(jí)放大得到足夠的信號(hào)增益，因此，可以采用低輸入阻抗、高增益的電流放大器使檢測(cè)器工作在電流放大狀態(tài)，以提高頻率響應(yīng)。第17頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1)給定光照度輸出最大功率RL=RbGb>>g2)輸出最大電壓RL>>RbGb>>g3)輸出最大電流Rb

>>RLg很小RL和Rb的選取考慮增益和帶寬光電檢測(cè)電路的頻率特性第18頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．光電檢測(cè)電路頻率特性的設(shè)計(jì)

目的：使檢測(cè)電路具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，以便能對(duì)復(fù)雜的瞬變光信號(hào)或周期性光信號(hào)進(jìn)行無(wú)頻率失真的變換和傳輸。方法：快速變化的光信號(hào)可以看作是若干不同諧波分量的疊加。信號(hào)的頻率失真會(huì)使某些諧波分量的幅度和位相發(fā)生變化導(dǎo)致合成波形的畸變。為避免頻率失真，保證信號(hào)的全部頻譜分量不產(chǎn)生非均勻的幅度衰減和附加的相位變化，檢測(cè)電路的通頻帶應(yīng)以足夠的寬裕度覆蓋住光信號(hào)的頻譜分布。

第19頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．光電檢測(cè)電路頻率特性的設(shè)計(jì)

檢測(cè)電路頻率特性的設(shè)計(jì)大體包括下列的三個(gè)基本內(nèi)容：1）對(duì)輸入光信號(hào)進(jìn)行傅里葉頻譜分析，確定信號(hào)的頻譜分布2）確定多級(jí)光電檢測(cè)電路的允許通頻帶寬和上限截止頻率。3）根據(jù)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的帶寬計(jì)算方法，確定單級(jí)檢測(cè)電路的阻容參數(shù)。第20頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：用2DU1型光電二極管和兩極相同的放大器組成光電檢測(cè)電路。被測(cè)光信號(hào)的波形如圖a所示，脈沖重復(fù)頻率f=200kHz，脈寬t0=0.5μs，脈沖幅度1V，設(shè)光電二極管的結(jié)電容Cj=3pF，輸入電路的分布電容C0=5pF，為保持較好的脈沖形狀輸出，設(shè)計(jì)該電路的阻容參數(shù)。第21頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例：用2DU1型光電二極管和兩極相同的放大器組成光電檢測(cè)電路。被測(cè)光信號(hào)的波形如圖a所示，脈沖重復(fù)頻率f=200kHz，脈寬t0=0.5μs，脈沖幅度1V，設(shè)光電二極管的結(jié)電容Cj=3pF，輸入電路的分布電容C0=5pF，設(shè)計(jì)該電路的阻容參數(shù)。①分析光信號(hào)頻譜，確定檢測(cè)電路的總頻帶寬度解：

周期為T＝1/f的方波脈沖時(shí)序信號(hào)，其頻譜是離散的，譜線的頻率間隔為Δf＝1/T＝200kHz頻譜包絡(luò)線零值點(diǎn)的分布間隔為F＝1/t0＝2MHz第22頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電路帶寬（準(zhǔn)確保持脈沖形狀）選取頻譜包絡(luò)線的第二峰值作為信號(hào)的高頻截止頻率，

fHC＝3MHz

頻譜的零頻分量為信號(hào)的直流成份，不影響變化的波形。但為交流放大利用阻容耦合電路隔直。取低頻截止頻率為200Hz，帶寬近似為ΔF≈3MHz。

②確定級(jí)聯(lián)各級(jí)電路的頻帶寬第23頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月③計(jì)算輸入電路參數(shù)取Rb＝(10～20)RL，即Rb＝10RL＝20kΩ

級(jí)間耦合電容C值是由低頻截止頻率決定：計(jì)算為C＝0.07μF，取為C＝1μF，對(duì)于第一級(jí)耦合電容可適當(dāng)增大10倍，取電容值為10μF。由輸入電路的確定輸入電路形式電流放大電流放大時(shí)第24頁(yè)，課件共27頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月④選擇放大電路