改 3.3探測器中的噪聲

1、第三節(jié)第三節(jié) 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲噪聲的表示方法噪聲的表示方法噪聲分類噪聲分類探測器噪聲探測器噪聲噪聲等效電路噪聲等效電路(b)(c)探測器放大器示波器(a)光入射光功率較大時(shí)：入射光功率較大時(shí)：正弦信號(hào)正弦信號(hào)降低入射光功率，增大放大率：降低入射光功率，增大放大率：帶毛刺的正弦信號(hào)帶毛刺的正弦信號(hào)入射光功率再降低時(shí)：入射光功率再降低時(shí)：正弦波幅度被噪聲完全埋沒正弦波幅度被噪聲完全埋沒對(duì)入射光功對(duì)入射光功率正弦調(diào)制率正弦調(diào)制隨機(jī)的，瞬間的幅度不能預(yù)知的起伏，其長時(shí)間的隨機(jī)的，瞬間的幅度不能預(yù)知的起伏，其長時(shí)間的平均值為零。平均值為零。所以不能用其平均值表示噪聲所以不能用其平均值表示

2、噪聲噪聲的基本概念噪聲的基本概念噪聲的表示方法噪聲的表示方法均方噪聲均方噪聲 均方根噪聲均方根噪聲 時(shí)域時(shí)域 頻域頻域 功率譜功率譜 均方噪聲均方噪聲 多個(gè)噪聲源多個(gè)噪聲源（互不相關(guān)）（互不相關(guān)） 222212nknnniiii 總220221 ( ) ( )( )Tnnii tidtTi tiit 平平均均平平均均代表代表電阻上產(chǎn)生的功率電阻上產(chǎn)生的功率201 ( )TPi tiRdtT 平平均均只有均方噪聲具有疊加特性只有均方噪聲具有疊加特性均方根噪聲均方根噪聲 1222( )nniit 這正是我們用電流表所這正是我們用電流表所測量到的那種有效電流測量到的那種有效電流22n022n02n0

3、1( )1( )1( )TTTPRiRi tdtTii tdtTii tdtT 有有效效有有效效有有效效功率譜功率譜S(fS(f) )噪聲自相關(guān)函噪聲自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換數(shù)的傅立葉變換 22( )nniit 代表頻率為代表頻率為f的噪聲的噪聲在在電阻上產(chǎn)生的功率電阻上產(chǎn)生的功率均方噪聲均方噪聲 代表各種頻率噪聲的集合代表各種頻率噪聲的集合在在電阻上產(chǎn)生的功率電阻上產(chǎn)生的功率2( )niS f df2niSf均方噪聲與功率譜聯(lián)系均方噪聲與功率譜聯(lián)系 功率譜為常數(shù)：功率譜為常數(shù)： 功率譜不為常數(shù)：功率譜不為常數(shù)： ff為頻帶寬度為頻帶寬度 用等效帶寬用等效帶寬ff表述表述 2( )niS ff

4、01mfS f dfS 噪聲分類：噪聲分類： 噪聲噪聲影響信號(hào)（特別是弱信號(hào)）的測量和處理影響信號(hào)（特別是弱信號(hào)）的測量和處理探測器的噪聲探測器的噪聲1熱噪聲熱噪聲2. 散粒噪聲散粒噪聲3產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲 41/f 噪聲噪聲 5溫度噪聲溫度噪聲 1熱噪聲熱噪聲(Johnson噪聲噪聲)熱噪聲是由于載流子的瞬時(shí)熱運(yùn)動(dòng)而引起電流或熱噪聲是由于載流子的瞬時(shí)熱運(yùn)動(dòng)而引起電流或電壓的瞬時(shí)擾動(dòng)。電壓的瞬時(shí)擾動(dòng)。 22nrnr44kTiSff ,ukTRfRf為測量的頻帶等效寬度，R為器件輸入電阻實(shí)部 熱噪聲：熱噪聲： 白噪聲白噪聲2. 散粒噪聲（散粒噪聲（Shot噪聲）噪聲）它猶如射出的散粒無規(guī)則

5、地落在靶上所呈現(xiàn)的起它猶如射出的散粒無規(guī)則地落在靶上所呈現(xiàn)的起伏。這種隨機(jī)起伏所形成的噪聲稱為散粒噪聲。伏。這種隨機(jī)起伏所形成的噪聲稱為散粒噪聲。光電管中的光電子從陰極表面逸出的隨機(jī)性；光電管中的光電子從陰極表面逸出的隨機(jī)性；PNPN結(jié)中載流子通過結(jié)區(qū)的隨機(jī)性；結(jié)中載流子通過結(jié)區(qū)的隨機(jī)性；入射到探測器上的光子的隨機(jī)性入射到探測器上的光子的隨機(jī)性2ns2eiSfIfI為器件輸出平均電流為器件輸出平均電流 散粒噪聲：白噪聲散粒噪聲：白噪聲 3產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲在半導(dǎo)體器件中，在一定溫度和光照下，瞬間在半導(dǎo)體器件中，在一定溫度和光照下，瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的，于是載載流子的產(chǎn)生數(shù)

6、和復(fù)合數(shù)是有起伏的，于是載流子濃度的起伏引起電導(dǎo)率的起伏，由此造成流子濃度的起伏引起電導(dǎo)率的起伏，由此造成器件輸出電流的噪聲叫做復(fù)合噪聲器件輸出電流的噪聲叫做復(fù)合噪聲 產(chǎn)生復(fù)合噪聲不再是產(chǎn)生復(fù)合噪聲不再是“白白”噪聲？噪聲？ 222041 (2) nIiS fffNf I總平均電流，N0總的自由載流子數(shù)，載流子壽命，f測量噪聲的頻率 41/f 噪聲噪聲1/f 噪聲通常又稱為電流噪聲噪聲通常又稱為電流噪聲 也稱為閃爍噪聲或過剩噪聲也稱為閃爍噪聲或過剩噪聲 2nfcIiS ffff低頻區(qū)：低頻區(qū)： 300Hz以下以下機(jī)理目前機(jī)理目前尚不清楚尚不清楚a a、由實(shí)驗(yàn)測量、由實(shí)驗(yàn)測量 5溫度噪聲（熱探測

7、器獨(dú)有）溫度噪聲（熱探測器獨(dú)有）熱探測器中由于器件本身吸收和傳導(dǎo)等的熱交換熱探測器中由于器件本身吸收和傳導(dǎo)等的熱交換引起的溫度起伏引起的溫度起伏 Gt為器件的熱導(dǎo)，為器件的熱導(dǎo)，t=Ct/Gt為器件的熱時(shí)間常數(shù)為器件的熱時(shí)間常數(shù)222412nttkTtfGf221tf224ntkTftG低頻低頻低頻溫度噪聲也有白噪聲性質(zhì)低頻溫度噪聲也有白噪聲性質(zhì)光電倍增管：散粒噪聲、光電倍增管：散粒噪聲、1/f1/f噪聲噪聲光敏電阻：熱噪聲、產(chǎn)生光敏電阻：熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、復(fù)合噪聲、1/f1/f噪聲噪聲光伏器件：光電流、暗電流的散粒噪聲、光伏器件：光電流、暗電流的散粒噪聲、PNPN結(jié)漏結(jié)漏電阻電阻RshRsh的熱噪聲的熱噪聲熱探測器：溫度噪聲、熱噪聲熱探測器：溫度噪聲、熱噪聲噪聲等效電路噪聲等效電路光電探測器光電探測器放大電路放大電路放大電路放大電路VsR放大電路放大電路IsRIs放大電路放大電路R2ni放大電路放大電路Is