光電探測(cè)器的放大電路

1關(guān)于光電探測(cè)器的放大電路2光探測(cè)器及其偏置電路耦合網(wǎng)絡(luò)低噪聲前置放大器多級(jí)放大系統(tǒng)反饋電路光探測(cè)電路示意圖放大器偏置電路后級(jí)信號(hào)處理電路第2頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天34.2.1放大器的噪聲模型第3頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天4

設(shè)計(jì)高質(zhì)量的低噪聲前置放大器，我們要了解：信號(hào)的特性噪聲的特性噪聲分析方法一、放大器的設(shè)計(jì)前提

為此學(xué)習(xí)一些關(guān)于放大器的噪聲及描述放大器噪聲特性的一些有關(guān)參數(shù)和模型，從而更好地抑制噪聲、放大信號(hào)。第4頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天5二、放大器的噪聲1.放大器的En－In噪聲模型

（a）(b)En-In模型Vs－信號(hào)源，Zi－放大器的輸入阻抗，RS－信號(hào)源內(nèi)阻，Ens為RS的熱噪聲En－噪聲電壓源，In－噪聲電流源，Av－放大器電壓增益，利用En-In模型的優(yōu)點(diǎn)：（1）放大器便可看成是無噪聲的，對(duì)放大器噪聲的研究歸結(jié)為只要分析En、In在整個(gè)電路中所起的作用。簡(jiǎn)化了電路系統(tǒng)的噪聲的計(jì)算。（2）模型的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：能夠通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出En、In的具體大小。第5頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天6Vs－信號(hào)源，Zi－放大器的輸入阻抗，RS－信號(hào)源內(nèi)阻，Ens－RS的熱噪聲En－噪聲電壓源，In－噪聲電流源，Av－放大器電壓增益Eni－放大器輸入端的噪聲電壓，Vso－放大器的輸出端電壓，Eno－放大器輸出端的總噪聲（c）（b）VsoEno

利用En-In模型，一個(gè)放大系統(tǒng)的噪聲簡(jiǎn)化為三個(gè)噪聲即En、In和Ens。進(jìn)一步考慮這三個(gè)噪聲源的共同效果，我們將它們統(tǒng)統(tǒng)等效地歸結(jié)到信號(hào)源位置上，用單一噪聲源代替原系統(tǒng)的所有噪聲源,稱為等效輸入噪聲Eni。2.等效輸入噪聲

Q:如何得到等效輸入噪聲Eni？第6頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天7

根據(jù)電路疊加原理，各噪聲源在放大器輸出端的貢獻(xiàn)分別為：Ens的貢獻(xiàn)為：En的貢獻(xiàn)為：In的貢獻(xiàn)為：Ens的貢獻(xiàn)En的貢獻(xiàn)In的貢獻(xiàn)第7頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天8

若En、In不相關(guān)，將上述各項(xiàng)均方相加便得總的輸出噪聲為：因此等效輸入噪聲為：

－信號(hào)源到放大器輸出端的傳輸函數(shù)（考慮源在內(nèi)的系統(tǒng)增益，注意和Av的區(qū)別！）第8頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天9可以看出，放大器的輸入阻抗不出現(xiàn)在等效輸入噪聲的表達(dá)式中。因?yàn)椴捎肊n—In模型后，放大器便視為是無噪聲的了，這樣一個(gè)無噪聲的網(wǎng)絡(luò)并不改變整個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能，無噪聲放大器的所有參數(shù)(包括輸入阻抗)不應(yīng)再在Eni的表達(dá)式中出現(xiàn)。采用En-In模型的另一個(gè)原因，是因?yàn)檫@個(gè)模型中所采用的各個(gè)參數(shù)容易測(cè)量。首先，源電阻Rs的熱噪聲Ens，可以由電阻的熱噪聲公式求出；其次計(jì)算放大器前的電路的開路輸出噪聲電壓(或短路輸出噪聲電流)；然后折合到源端位置就得到等效輸入噪聲電壓Eni的大小。第9頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天10（1）測(cè)En。放大器輸入端短路，即Rs＝0（Ens、InRs均為零），測(cè)得放大器輸出端的噪聲電壓均方根值為AvEn

，除以Av得En；（2）測(cè)In。取一個(gè)很大的電阻作為源電阻（或放大器輸入端開路），即Rs＝無窮大（InRs），測(cè)得放大器輸出端的噪聲電壓均方根值為AvsInRs，除以AvsRs得In。3.實(shí)驗(yàn)方法測(cè)放大器的En，In：第10頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天11三、放大器的噪聲系數(shù)

在實(shí)際工作中常常需要衡量一個(gè)放大器，或者一個(gè)元件，或者一個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能。系統(tǒng)的噪聲性能，不僅僅是指系統(tǒng)本身元器件產(chǎn)生噪聲的大小，還包括它對(duì)信號(hào)影響的程度。由于Eni的表示式中含有源電阻Rs及其熱噪聲項(xiàng)，故不宜用Eni作為衡量的指標(biāo)。另一方面，同時(shí)用En、In來表示又比較麻煩。因此，在噪聲分析中，通常是用噪聲系數(shù)NF（NoiseFigure）作為衡量放大器或元件、或系統(tǒng)噪聲性能的指標(biāo)。為了定義噪聲系數(shù)NF，先給出信噪比的定義。第11頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天12信噪比：輸出端信號(hào)功率與噪聲功率之比，稱為信號(hào)噪聲比，簡(jiǎn)稱信噪比為輸出端信號(hào)功率為輸出端噪聲功率

第12頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天132.噪聲系數(shù)（NoiseFactor）：輸出端總噪聲功率源電阻產(chǎn)生的輸出噪聲功率F=即Kp為放大器系統(tǒng)的功率增益（1）基本定義從輸出端角度出發(fā)第13頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天14（2）推導(dǎo)式一總的等效輸入噪聲功率輸入端源電阻噪聲功率F=上下同除以Kp，即放大器噪聲總是存在，F(xiàn)大于1的原因從輸入端角度出發(fā)從輸入端角度出發(fā)第14頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天15（3）推導(dǎo)式二放大器輸入噪聲功率輸入端源電阻噪聲功率F=1+第15頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天16（4）推導(dǎo)式三輸入端信噪比輸出端信噪比F=不為Eni，此時(shí)輸入端噪聲功率僅為源電阻產(chǎn)生的熱噪聲功率用分貝表示則寫成：電壓表示則為：Q:F或NF的大小？第16頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天17

放大器的噪聲系數(shù)的定義表示信號(hào)通過放大器后，信噪比變壞的程度：如果放大器是理想的無噪聲的線性網(wǎng)絡(luò)，那么其輸入端的信號(hào)與噪聲得到同樣的放大，即輸出端的信噪比與輸入端的信噪比相同，于是F=1或NF=0dB；如果放大器本身有噪聲，又無濾波功能(如前放一般不采取帶限措施)，信號(hào)通過放大器后，則信號(hào)和噪聲都同樣放大，則輸出噪聲功率等于放大后的輸入噪聲功率和放大器本身的噪聲功率之和。對(duì)這樣的放大器，信號(hào)經(jīng)放大后，信噪比不可能變好，輸出端的信噪比就比輸入端的信噪比低，則F>1。噪聲系數(shù)意義：第17頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天18根據(jù)前面導(dǎo)出的噪聲系數(shù)表達(dá)式由上式可見，F(xiàn)是四個(gè)變量En、In、Rs、Δf的函數(shù)。放大器一旦設(shè)計(jì)好，En、In就基本不變，F(xiàn)僅為Rs和Δf的函數(shù)四、最佳源電阻Ropt與最小噪聲系數(shù)Fmin

放大器的噪聲等效帶寬第18頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天19F和Rs的關(guān)系:Δf為放大系統(tǒng)的噪聲等效帶寬，在前放中，通常認(rèn)為輸入噪聲帶寬與Δf相等。增大Δf可以減小F。但如果二者不等，如輸入噪聲帶寬大于Δf，則增大Δf會(huì)使等效輸入噪聲Eni增加，這對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的信噪比是非常不利的(參見4.3節(jié)SNIR)，因此不能采取增加B的方法。對(duì)于一個(gè)確定的放大器，我們只能通過改變?cè)措娮鑱頊p小它的噪聲系數(shù)。Rs增大時(shí)第二項(xiàng)減小而第三項(xiàng)增大，Rs減小時(shí)第二項(xiàng)增大第三項(xiàng)減小。因此，F(xiàn)是有極值的。

第19頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天20

求偏導(dǎo)：得：因此，當(dāng)信號(hào)源的內(nèi)阻等于放大器的源電阻時(shí)噪聲系數(shù)F取得最小值

與功率匹配區(qū)別！當(dāng)信號(hào)源的內(nèi)阻等于放大器的最佳源電阻值時(shí)，放大器對(duì)檢測(cè)電路附加的噪聲最小，稱為信號(hào)源與放大器之間達(dá)到了噪聲匹配。這是低噪聲設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。稱此時(shí)的源電阻為放大器的最佳源電阻，記為Ropt

當(dāng)Rs=Ropt時(shí)，可使放大器的噪聲系數(shù)為最小，這時(shí)源電阻和放大器的配置稱為“噪聲匹配”，這是低噪聲設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。

第20頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天21第21頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天22噪聲系數(shù)的概念僅僅適用于線性電路（線性放大器）。對(duì)于非線性電路而言，不僅得不到線性放大，而且信號(hào)和噪聲、噪聲和噪聲之間會(huì)相互作用，即使電路本身不產(chǎn)生噪聲，在輸出端的信噪比和輸入端的也不相同。因此噪聲系數(shù)的概念就不能適用。以上公式僅適用于純電阻信號(hào)源且放大器En、In噪聲不相關(guān)的情況。更一般為復(fù)源復(fù)相關(guān)，即：信號(hào)源非純阻性器件：復(fù)阻抗為Z=Rs＋jXs放大器En、In噪聲相關(guān)：r=Re(r)＋jIm(r)當(dāng)傳感器是純電抗源（例如光電傳感器和壓電傳感器），噪聲系數(shù)F失去意義。按推導(dǎo)式一計(jì)算，此時(shí)信號(hào)源噪聲功率為零，F(xiàn)趨于無窮。因此，對(duì)于純電抗源的前置放大器噪聲性能是采用等效輸入噪聲電壓來衡量的。即運(yùn)用En－In模型來進(jìn)行計(jì)算。見課本P267公式噪聲系數(shù)的幾點(diǎn)說明第22頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天23噪聲匹配舉例：例：熱電偶；熱釋電探測(cè)器；反偏光電二級(jí)管--常用器件最佳源電阻分布示意圖第23頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天24五、噪聲匹配1、用輸入變壓器實(shí)現(xiàn)噪聲匹配

（1）應(yīng)用對(duì)象：適用于解決信號(hào)源電阻小于最佳源電阻情形下的噪聲匹配問題。（2）原理：選用適當(dāng)變壓比第24頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天252、利用并聯(lián)放大器的方法實(shí)現(xiàn)噪聲匹配

N個(gè)完全相同的放大器并聯(lián)，如下圖所示，該方法等效于減小，使第25頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天26六、噪聲溫度－折合熱噪聲法

噪聲溫度的概念是：把放大電路的內(nèi)部噪聲看作是由信號(hào)源內(nèi)阻Rs在溫度為Ti時(shí)所產(chǎn)生的噪聲。也就是說，如果在放大器輸入端串接一個(gè)電阻，其大小等于信號(hào)源電阻Rs，當(dāng)在某個(gè)溫度Ti時(shí)，其上所產(chǎn)生的熱噪聲等于放大器本身（不包括源）的噪聲，則稱溫度Ti為放大器的噪聲溫度。輸入端虛設(shè)的噪聲源放大器的噪聲系數(shù):

1.放大器噪聲溫度第26頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天27當(dāng)Ti=0時(shí)，F(xiàn)=1表示放大器本身不產(chǎn)生噪聲，是理想的無噪聲放大器；當(dāng)Ti=T時(shí)，則F=2（NF=3dB），表示放大器本身所產(chǎn)生的噪聲和信號(hào)源所輸入的噪聲相等。第27頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天28Ti和F都可以表征放大器內(nèi)部噪聲的大小，兩種表示，沒有本質(zhì)的區(qū)別。常用來計(jì)算放大電路的噪聲系數(shù)與噪聲溫度之間的轉(zhuǎn)換。通常噪聲溫度可較精確地比較放大器內(nèi)部噪聲的大小。例如：T=290KF=1.12時(shí) Ti=35KF=1.21時(shí) Ti=61K

兩噪聲系數(shù)只相差0.09，而兩Ti相差26K。從噪聲系數(shù)上看，兩放大器差別很小，但從噪聲溫度上看,兩者相差很大。因此，在噪聲很低的場(chǎng)合，用噪聲溫度表示能更清楚地顯示出放大電路的噪聲性能。2.噪聲溫度的應(yīng)用

第28頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天29噪聲溫度表示法就是折合熱噪聲法，它可以描述熱噪聲，也可以描述其它噪聲，還可以用來描述噪聲源溫度不均等時(shí)的噪聲．這種表示法的重要特點(diǎn)就在于將各種噪聲歸結(jié)到溫度量的變化上。

例如：求出輸入網(wǎng)絡(luò)R1、R2、R3在源電阻匹配情況下的等效輸入噪聲溫度。計(jì)算的步驟是：

(1)求出各電阻的熱噪聲在輸出端的貢獻(xiàn)，將它們均方加起來使得到總的輸出噪聲；

(2)總的輸出噪聲除以系統(tǒng)的增益即得等效輸入噪聲；

(3)等效輸入噪聲減去源的熱噪聲就得到輸入網(wǎng)絡(luò)本身在源端的等效輸入噪聲，然后將其折算為源電阻在溫度Ti時(shí)的熱噪聲。第29頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天30習(xí)題（1）最佳源電阻是信號(hào)源的參數(shù)，還是前放的參數(shù)。它的表達(dá)式是什么？式中各項(xiàng)代表什么？什么是噪聲匹配。（2）已知集成運(yùn)算OP07E的噪聲參數(shù)En＝10.3nV，In＝0.32pA，試計(jì)算應(yīng)用于Rs＝100kΩ，Δf＝1Hz及T＝300k時(shí)，其NF及Eni值（3）根據(jù)下列條件判斷那一種器件產(chǎn)生的等效輸入噪聲最?。?/p>

a．在Rs＝10kΩ時(shí)，測(cè)出其NF＝20dB。

b．在Rs＝1MΩ時(shí)，測(cè)出其NF＝20dB。第30頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天314.2.2多級(jí)放大器的噪聲影響第31頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天32

Pni為輸入端噪聲功率，即源的噪聲功率；Pn為放大器內(nèi)部噪聲在輸出端的體現(xiàn)；Pno為輸出端總的噪聲功率；Kp為放大器的功率增益。根據(jù)噪聲系數(shù)F的定義，可得到：一.單級(jí)放大器噪聲系數(shù)FFPnKp注意，不等于前面的等效輸入噪聲！而是（Ens）2第32頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天33二.多級(jí)放大器噪聲系數(shù)FPni

三級(jí)放大器的噪聲系數(shù)KP1Pn1F1KP2Pn2F2KP3Pn3F3PnoF1,2,3總的輸出噪聲功率Pno為總的輸出噪聲系數(shù)F為第33頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天34考慮第一級(jí)放大器單獨(dú)和源相連接時(shí)，得到噪聲功率和噪聲系數(shù)為：考慮每個(gè)放大器單獨(dú)和源相連接時(shí)，得到：代入第34頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天35對(duì)于n級(jí)級(jí)聯(lián)放大器，可以得出其噪聲系數(shù)為：這就是多級(jí)放大器的噪聲系數(shù)理論的Friis公式

從這個(gè)公式可以看出：如果第一級(jí)的功率增益Kp1很大，則多級(jí)放大器噪聲系數(shù)的大小，主要取決于第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)F1。設(shè)計(jì)中，為了使多級(jí)放大器的噪聲系數(shù)減小，應(yīng)盡量提高第一級(jí)的功率放大倍數(shù)Kp1；盡量減小第一級(jí)的噪聲系數(shù)，這就是指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)低噪聲前放的又一個(gè)重要原則。

如果第一級(jí)的功率增益不是很大，減小噪聲系數(shù)的關(guān)鍵在于使本級(jí)具有高增益和低噪聲。第35頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天364.2.3低噪聲前放的選用

第36頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天37一.利用低噪聲運(yùn)放的En、In計(jì)算E’nA許多生產(chǎn)廠家，只提供了噪聲的譜密度函數(shù)En（噪聲電壓）In（噪聲電流）Rs（信號(hào)源內(nèi)阻）OP-07(1kHz)9.6nVHz-1/2120fAHz-1/2Rs=10kΩ9.67nVHz-1/2Rs=10MΩ1200nVHz-1/2LMC662(1kHz)22nVHz-1/20.113fAHz-1/2Rs=10kΩ22nVHz-1/2Rs=10MΩ22nVHz-1/2放大器貢獻(xiàn)在Rs大的情況下，起著比較大的作用不能僅比較En，還需要考慮Rs和In，第37頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天38已知放大器等效輸入噪聲電壓Eni的大小，將Eni和放大器輸入端的信號(hào)Vs進(jìn)行比較，就可判定這個(gè)放大器是否符合要求；一般是根據(jù)系統(tǒng)的（Vs/Eni）比值的要求來選定放大器的NF值；要提請(qǐng)注意的是NF值和Eni的大小都是和源電阻及帶寬Δf密切相關(guān)的。其中帶寬Δf是由系統(tǒng)的需要所確定的，并且是由系統(tǒng)中的某一部件，例如帶通濾波器或者前放本身所決定的。

二.根據(jù)Eni和Vs來選用前放第38頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天39

如果選用1號(hào)放大器則：不合要求；如果選用2號(hào)放大器則：符合要求。

若其它條件不變，采取壓縮帶寬的措施，使Δf=1Hz，經(jīng)過計(jì)算，可以知道，1號(hào)放大器也可以適用。故壓縮帶寬對(duì)克服噪聲是非常有利的，但是壓縮帶寬在某些情況下可能損失信息量，所以壓縮帶寬有時(shí)要付出一定的代價(jià)。例如：標(biāo)號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)的前置放大器，其有關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算列于下表：EniΔf，Rs放大器1NF=20dB放大器2NF=3dBRs=100ΩΔf=100HZ130nV18nVRs=100ΩΔf=1HZ13nV1.8nV如果被測(cè)信號(hào)為Vs=1μV，Δf=100Hz，Rs=100Ω，且系統(tǒng)要求：如何計(jì)算？T=300?K第39頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天40從NF-Rs曲線上可以清楚地看到，在所運(yùn)用的頻率范圍下，源電阻Rs和NF的關(guān)系：當(dāng)源電阻為10kΩ，OP-07的NF約為4dB，而LMC662卻為11dB，故應(yīng)選用OP07；當(dāng)源電阻為10MΩ時(shí)，情況正好相反，這時(shí)OP-07的NF為19.08dB，而LMC662的NF只有0.025dB，所以選用LMC662。所以O(shè)P-07適用于低內(nèi)阻的信號(hào)源，而LMC662適用于高阻抗信號(hào)源的低噪聲放大。三.利用低噪聲運(yùn)放的NF-Rs曲線選擇運(yùn)放生產(chǎn)廠家一般會(huì)在其產(chǎn)品手冊(cè)中提供一定測(cè)試條件下的NF-Rs曲線OP-07的NF-Rs曲線LMC662的NF-Rs曲線第40頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天41NF的表達(dá)式如下：選定不同的Rs和Δf，測(cè)出Eni（正弦波法與噪聲發(fā)生器法

），就可以得到一系列的NF值。生產(chǎn)廠家在測(cè)量中通常的做法是在放大器后面接一個(gè)中心頻率f0可調(diào)的帶通濾波器，采用噪聲發(fā)生器法，或正弦波法，測(cè)出不同Rs和f0條件下的一系列NF值，都標(biāo)在坐標(biāo)圖上。四.NF等值圖的應(yīng)用第41頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天42如圖為美國(guó)PARC公司113型低噪聲前放的等值圖：坐標(biāo)圖以f0為橫坐標(biāo)，Rs為縱坐標(biāo)，且均以對(duì)數(shù)為標(biāo)度。將所有NF值相等的點(diǎn)連接起來，就得到一幅NF等值圖，稱為放大器的噪聲因子圖或NF圖。不同的放大器有不同的NF圖，放大器一經(jīng)制成，NF圖的結(jié)果就是唯一的，生產(chǎn)廠家必須向用戶提供低噪聲前置放大器的NF圖，它充分反映了該放大器的噪聲特性。

第42頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天43利用NF圖，我們可以做到如下幾點(diǎn)：1.從NF圖中，可以選擇NF最小的Rs和f0的范圍。如113型低噪聲前放NF=0.05dB等值線f0的范圍在幾個(gè)Hz~幾KHz，而Rs的范圍從幾百KΩ~10MΩ2.在實(shí)際的微弱信號(hào)檢測(cè)中，不同的檢測(cè)對(duì)象可根據(jù)NF圖選擇最適用的前放。由于測(cè)量和放大的對(duì)象不同，源電阻Rs的差異是很大的，例如，光電信增管（PMT）為高阻Rs，熱電偶的Rs卻很低。同樣，工作頻率的選擇也不一致。如聲學(xué)或生物醫(yī)學(xué)的使用常在低頻范圍，而某些電檢測(cè)又常常避開1/f噪聲，需選擇中頻區(qū)。因此必須根據(jù)具體的源電阻和工作頻率來選擇合適的放大器。NF圖為我們正確選擇前放提供了依據(jù)。第43頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天443.利用NF圖還可以計(jì)算出最小可檢測(cè)信號(hào)MDS的大?。∕DS的定義為折合到放大器輸入端的Eni）

此式表明：如果已知前放的NF值、信號(hào)源的源電阻Rs及帶寬Δf（在其中心頻率f0附近），則放大器的等效輸入噪聲Eni即可求出。由等值圖中最小的NF值即能計(jì)算出低噪聲前放在一定條件下的最小的Eni，這就是MDS。

采用分貝表示：第44頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天454.2.4放大器的外部電路設(shè)計(jì)第45頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天46光探測(cè)器及其偏置電路耦合網(wǎng)絡(luò)低噪聲前置放大器多級(jí)放大系統(tǒng)反饋電路光探測(cè)電路示意圖放大器偏置電路后級(jí)信號(hào)處理電路第46頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天47從光電探測(cè)器獲取信號(hào)，除了要有必要的偏置電路外，還必須有耦合網(wǎng)絡(luò)才能將探測(cè)器輸出的信號(hào)送到后續(xù)的低噪聲前放進(jìn)行放大。這一節(jié)我們講述耦合網(wǎng)絡(luò)的類型，以及耦合網(wǎng)絡(luò)的低噪聲設(shè)計(jì)的原則。

一.耦合網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)考慮第47頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天48如圖：Zs表示探測(cè)器和偏置電路形成的等效阻抗，Vs表示由探測(cè)器得到的信號(hào)電壓，光電探測(cè)器及其偏置電路就可以看成一個(gè)內(nèi)阻為Zs、電動(dòng)勢(shì)為Vs的信號(hào)源。

ZsVs探測(cè)器及其偏置電路的等效電路1．探測(cè)器及其偏置電路的等效電路第48頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天49

信號(hào)源與前放耦合的方式，有下列五種形式：

2．探測(cè)器與放大器的耦合方式Zcp表示耦合網(wǎng)絡(luò)中的并聯(lián)阻抗Zcs表示串聯(lián)阻抗ZsZcp（1）并聯(lián)型第49頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天50（2）串聯(lián)型（3）串并型ZsZcs第50頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天51（5）串并串型（4）并串型第51頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天523．耦合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則

耦合網(wǎng)絡(luò)除了要符合電子學(xué)的設(shè)計(jì)原則之外，從降低噪聲提高輸出端信噪比的角度來考慮和分析，理論分析和實(shí)驗(yàn)均證明，為了盡量減少耦合網(wǎng)絡(luò)帶來的噪聲，必須滿足下列條件：（1）對(duì)于耦合網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)阻抗元件（2）對(duì)于耦合網(wǎng)絡(luò)中的并聯(lián)阻抗元件

（3）為了減小電阻元件的過剩噪聲（由流過電阻的直流電流所引起的1/f噪聲），必須盡量減小流過電阻的電流，或降低電阻兩端的直流壓降。第52頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天53例.串聯(lián)阻抗的噪聲影響噪聲條件：減小Ecs串聯(lián)型ZsZcs第53頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天54ZsZcp并聯(lián)型例.并聯(lián)阻抗的噪聲影響噪聲條件：減小Icp：Icpt

和IcpL

熱噪聲電流噪聲第54頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天55

無源器件（電阻、電容、耦合變壓器等）的選取1、電阻：盡量用金屬膜電阻、線繞電阻，噪聲指數(shù)：不用碳質(zhì)、碳膜電阻，噪聲指數(shù)：十幾至幾十。噪聲指數(shù)：電阻兩端每伏直流壓降在十倍頻程內(nèi)產(chǎn)生的均方根噪