光電檢測電路的帶寬和頻率特性

光學(xué)信號變換光－電信號變換電學(xué)信號變換第10章光電檢測電路與信號處理光電檢測器件：光電變換核心偏置電路：連接光電檢測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：輸入信號的精確檢測光電檢測電路RL=Rb,g<<Gb選取頻譜包絡(luò)線的第二峰值作為信號的高頻截止頻率，1．光電檢測電路的高頻特性1)給定光照度輸出最大功率RL=RbGb>>g主要能量在第一過零點(diǎn)內(nèi)，周期性矩形脈沖信號的帶寬為：方法：快速變化的光信號可以看作是若干不同諧波分量的疊加。由輸入電路的確定輸入電路形式取Rb＝(10～20)RL，即Rb＝10RL＝20kΩRL》Rb,g<<Gb例：用2DU1型光電二極管和兩極相同的放大器組成光電檢測電路。第10章光電檢測電路與信號處理07μF，取為C＝1μF，為避免頻率失真，保證信號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，檢測電路的通頻帶應(yīng)以足夠的寬裕度覆蓋住光信號的頻譜分布。2)輸出最大電壓RL>>RbGb>>g電路帶寬增大，噪聲功率增加－最佳帶寬如何確定檢測電路帶寬？檢測電路頻率特性的設(shè)計(jì)大體包括下列的三個(gè)基本內(nèi)容：如何確定檢測電路帶寬？（波形失真）可見檢測電路的頻率特性，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)載例：用2DU1型光電二極管和兩極相同的放大器組成光電檢測電路。（例：熱噪聲）電路帶寬增大，噪聲功率增加－最佳帶寬檢測電路頻率特性的設(shè)計(jì)大體包括下列的三個(gè)基本內(nèi)容：RL和Rb的選取考慮增益和帶寬2．光電檢測電路頻率特性的設(shè)計(jì)c負(fù)載上取最大電流輸出：周期為T＝1/f的方波脈沖時(shí)序信號，其頻譜是離散的，譜線的頻率間隔為但過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。電路帶寬Δf根據(jù)信號的頻譜特性來確定基本任務(wù)光電檢測電路偏置電路設(shè)計(jì)（靜態(tài)設(shè)計(jì)）頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)（動態(tài)設(shè)計(jì)）噪聲特性設(shè)計(jì)1.帶寬的含義K(f)ffLCfHC70.7%100%Df=fHC－fLC≈fHC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)信號的頻譜特性來確定2.帶寬對信號質(zhì)量的影響帶寬選擇的原則：

保持信號頻譜中絕大部分能量通過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。

3.如何確定檢測電路帶寬？1）正弦波檢測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：Ttd2）脈沖波信號的帶寬分析

td－脈沖寬度脈沖波頻譜分析脈沖重復(fù)頻率f0

=200kHz，脈寬td=0.5μs2）脈沖波信號的帶寬分析

主要能量在第一過零點(diǎn)內(nèi)，周期性矩形脈沖信號的帶寬為：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電路帶寬增大，信號峰值功率增加－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.如何確定檢測電路帶寬？3.如何確定檢測電路帶寬？正弦調(diào)制信號:脈沖波信號：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：1．光電檢測電路的高頻特性

耦合電容對高頻信號可視為短路輸入光照度：由圖可得：1．光電檢測電路的高頻特性

耦合電容對高頻信號可視為短路1．光電檢測電路的高頻特性

稱為檢測電路的時(shí)間常數(shù)

可見檢測電路的頻率特性，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)載檢測電路的上限截止頻率：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<<Gbb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功率和電壓，負(fù)載電阻RL和Rb不能很小。但過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。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，由后級放大得到足夠的信號增益，因此，可以采用低輸入阻抗、高增益的電流放大器使檢測器工作在電流放大狀態(tài)，以提高頻率響應(yīng)。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電路的頻率特性2．光電檢測電路頻率特性的設(shè)計(jì)

目的：使檢測電路具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，以便能對復(fù)雜的瞬變光信號或周期性光信號進(jìn)行無頻率失真的變換和傳輸。方法：快速變化的光信號可以看作是若干不同諧波分量的疊加。信號的頻率失真會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，檢測電路的通頻帶應(yīng)以足夠的寬裕度覆蓋住光信號的頻譜分布。

2．光電檢測電路頻率特性的設(shè)計(jì)

檢測電路頻率特性的設(shè)計(jì)大體包括下列的三個(gè)基本內(nèi)容：1）對輸入光信號進(jìn)行傅里葉頻譜分析，確定信號的頻譜分布2）確定多級光電檢測電路的允許通頻帶寬和上限截止頻率。3）根據(jù)級聯(lián)系統(tǒng)的帶寬計(jì)算方法，確定單級檢測電路的阻容參數(shù)。例：用2DU1型光電二極管和兩極相同的放大器組成光電檢測電路。被測光信號的波形如圖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)。例：用2DU1型光電二極管和兩極相同的放大器組成光電檢測電路。被測光信號的波形如圖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分析光信號頻譜，確定檢測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，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的高頻截止頻率，

fHC＝3MHz

頻譜的零頻分量為信號的直流成份，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確定級聯(lián)各級電路的頻帶寬③計(jì)算輸入電路參數(shù)取Rb＝(10～20)RL，即Rb＝10RL＝20kΩ

級間耦合電容C值是由低頻截止頻率決定：計(jì)算為C＝0.07μF，取為C＝1μF，對于第一級耦合電容