改 11光電檢測電路與信號處理

1、第第1111章章 光電檢測電路與信號處理光電檢測電路與信號處理11.1 檢測電路的帶寬和頻率特性檢測電路的帶寬和頻率特性11.2 前置放大器的低噪聲設(shè)計前置放大器的低噪聲設(shè)計11.3 微弱光電信號的處理方法微弱光電信號的處理方法有特殊要求的有特殊要求的電學(xué)信號處理方法電學(xué)信號處理方法 1. 1. 檢測電路帶寬的檢測電路帶寬的含義含義通頻帶通頻帶K ( f )ffLCfHC70.7%100%Df = fHC fLC 11.1.1 檢測電路的帶寬檢測電路的帶寬檢測電檢測電路路帶寬帶寬ff 太小，波形失真太小，波形失真f 太大，白噪聲大太大，白噪聲大檢測電路帶寬檢測電路帶寬f 根據(jù)根據(jù)信號的頻譜特性

2、（信信號的頻譜特性（信號帶寬）號帶寬）來確定來確定 2.2.檢測電路帶寬檢測電路帶寬對信號質(zhì)量的影響對信號質(zhì)量的影響3. 3. 檢測電路檢測電路帶寬的確定帶寬的確定正弦調(diào)制信號正弦調(diào)制信號: : Ff2脈沖波信號：脈沖波信號： d(0.25 0.75) /fttd為脈沖寬度為脈沖寬度 振幅調(diào)制振幅調(diào)制：Fmff12頻率調(diào)制頻率調(diào)制：要求信噪比高：要求信噪比高：要求脈沖形狀好：要求脈沖形狀好：d4/ft（ 1 ）信號帶寬信號帶寬T Ttd檢測電路頻率特性的設(shè)計步驟：檢測電路頻率特性的設(shè)計步驟：1.1.確定檢測電路帶寬和截止頻率確定檢測電路帶寬和截止頻率2.2.多極檢測電路帶寬分配多極檢測電路帶寬

3、分配3.3.確定單級檢測電路的阻容參數(shù)確定單級檢測電路的阻容參數(shù)11.1.2 檢測電路的頻率特性設(shè)計檢測電路的頻率特性設(shè)計激光脈沖周期為激光脈沖周期為T=5s，脈寬，脈寬td=0.5s 光電二極管接收，輸入電路為電流放大方式，結(jié)電光電二極管接收，輸入電路為電流放大方式，結(jié)電容容Cj=3pF，輸入電路分布電容，輸入電路分布電容C0=5pF，設(shè)計該電，設(shè)計該電路的阻容參數(shù)路的阻容參數(shù)例例 輸入級電路等效電路輸入級電路等效電路RL1為放大為放大器輸入阻抗器輸入阻抗1.1.確定檢測電路帶寬和截止頻率確定檢測電路帶寬和截止頻率系統(tǒng)下限截止頻率系統(tǒng)下限截止頻率fnLC的確定：的確定：信號頻譜頻率間隔為：信

4、號頻譜頻率間隔為：f=1/T=1/5us=200kHz頻譜的零頻分量確定信號的直流分量，因此，取頻譜的零頻分量確定信號的直流分量，因此，取fnLC為為200Hz不影響波形不影響波形系統(tǒng)帶寬的確定：系統(tǒng)帶寬的確定：因系統(tǒng)帶寬取因系統(tǒng)帶寬取f=（1-4）/td時，脈沖形狀較好，取時，脈沖形狀較好，取f為為1.5/ td=3MHz系統(tǒng)上限截止頻率系統(tǒng)上限截止頻率fnHC的確定：的確定： fnHC約為約為3MHz2.2.多極檢測電路帶寬分配多極檢測電路帶寬分配系統(tǒng)與單級上限截止頻率關(guān)系：系統(tǒng)與單級上限截止頻率關(guān)系：1/21nn H CH Cff1/21L Cn L Cnff系統(tǒng)與單級下限截止頻率關(guān)系：

5、系統(tǒng)與單級下限截止頻率關(guān)系：fnHC=3MHzn=3fHC=6MHzfnLC=200Hzn=3fHC=102MHz檢測電路由輸入電路和兩極相同的放大器串聯(lián)，檢測電路由輸入電路和兩極相同的放大器串聯(lián)，取三級帶寬相同取三級帶寬相同3.3.確定單級檢測電路的阻容參數(shù)確定單級檢測電路的阻容參數(shù)11112()()2(/ /)H CjLjoLobRRRfCCCCRL1=3.3K，選為，選為2K；??；取Rb=10RL1=20K電容容抗為電容容抗為1/jC，高頻時并聯(lián)電容分流大導(dǎo)，高頻時并聯(lián)電容分流大導(dǎo)致高頻輸出衰減致高頻輸出衰減光伏探測器頻率特性一般由光伏探測器頻率特性一般由電路時間常數(shù)電路時間常數(shù)決決定定

6、輸入級上限截止輸入級上限截止頻率與那些參數(shù)頻率與那些參數(shù)有關(guān)有關(guān)輸入電路為電流放大方式，則輸入電路為電流放大方式，則RbRL11112()()CbCLLfRRC輸入級下限截止頻率由耦合電容決定輸入級下限截止頻率由耦合電容決定CC1=0.07uF，取為，取為1uF，對于第一級耦合電容可適當(dāng)，對于第一級耦合電容可適當(dāng)增大增大10倍，取為倍，取為10uF電容容抗為電容容抗為1/jC，低頻時耦合電容分壓大導(dǎo)致低，低頻時耦合電容分壓大導(dǎo)致低頻輸出衰減頻輸出衰減輸入級下限截止輸入級下限截止頻率與那些參數(shù)頻率與那些參數(shù)有關(guān)有關(guān)RL1=RL2=2k，CC1=CC2=1uF。選用放大器輸入阻抗小于選用放大器輸入

7、阻抗小于2k，放大器通頻帶要，放大器通頻帶要求為求為6MHz，取為，取為10MHz。直流電源電壓取為直流電源電壓取為50V，小于光電二極管的最大，小于光電二極管的最大反向偏壓。反向偏壓。并聯(lián)的并聯(lián)的500uF電容用于濾除電源的波動電容用于濾除電源的波動第第1111章章 光電檢測電路與信號處理光電檢測電路與信號處理11.1 檢測電路的帶寬和頻率特性檢測電路的帶寬和頻率特性11.2 前置放大器的低噪聲設(shè)計前置放大器的低噪聲設(shè)計11.3 微弱光電信號的處理方法微弱光電信號的處理方法有特殊要求的有特殊要求的電學(xué)信號處理方法電學(xué)信號處理方法 1. 放大器放大器EnIn噪聲模型：噪聲模型： 把放大器所有元

8、件噪聲折算到輸入端把放大器所有元件噪聲折算到輸入端 阻抗為零的噪聲電壓源阻抗為零的噪聲電壓源En 阻抗為無窮大的噪聲電流源阻抗為無窮大的噪聲電流源InUsi為信號源電壓為信號源電壓Rs為信號源電阻為信號源電阻Ens為信號源電阻為信號源電阻的熱噪聲的熱噪聲放大器噪聲的評價方法放大器噪聲的評價方法純電阻純電阻信號源信號源僅有僅有熱熱噪聲噪聲等效輸入噪聲電壓均方值等效輸入噪聲電壓均方值 2222ninsnnsEEEI R 2222ninsn222nin4nssnsEEEI REKTRfEI R En、In的測量的測量放大器輸入端短路，即放大器輸入端短路，即Rs=0，測得放大器輸出端，測得放大器輸出端

9、的噪聲電壓均方根值為的噪聲電壓均方根值為AuEn，除以，除以An得到得到En放大器輸入端接一個很大的電阻放大器輸入端接一個很大的電阻Rs，測得放大器，測得放大器輸出端的噪聲電壓均方根值為輸出端的噪聲電壓均方根值為AuInRs，除以，除以AuRs得得到到In首先信號電壓首先信號電壓源源Usi置零置零F=1， 理想的理想的無噪聲無噪聲放大器放大器F 1，實際的，實際的有噪聲有噪聲放大器放大器噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)F反映了放大器的噪聲使系統(tǒng)信噪比變壞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)。的程度，是衡量放大器噪聲性能好壞的重要指標(biāo)。 2. 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) P0P0P

10、iPi0i/NSNSNSNSF）放大器輸出信噪比（）放大器輸入信噪比（32n1P1P1P2P1P2P n1111FFFFFAAAAAAn級級聯(lián)放大電路級級聯(lián)放大電路噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)： AP1很大時，很大時，F(xiàn) F1前置放大器的噪聲貢獻前置放大器的噪聲貢獻P0PPi/NAFN放大器總的等效輸入噪聲功率輸入端源電阻熱噪聲功率P0P0PiPi0i/NSNSNSNSF）放大器輸出信噪比（）放大器輸入信噪比（22222222nsnnsnsnin2222nsnsnsnsss22nn1144EEI RI REEFEEEEIEkTfRfRkT ss22nn144IEFkRTfRkT f 0sRFnnsopt

11、sIERRfkTIEF 21nnmin放大器最佳源電阻放大器最佳源電阻當(dāng)當(dāng)信號源的內(nèi)阻信號源的內(nèi)阻等于等于放大器的最佳源電阻值放大器的最佳源電阻值時，放時，放大器對檢測電路附加的大器對檢測電路附加的噪聲最小噪聲最小，稱為信號源與放，稱為信號源與放大器之間達到了大器之間達到了噪聲匹配。噪聲匹配。不要混淆噪聲匹配和功率匹配，最佳源電阻并不是不要混淆噪聲匹配和功率匹配，最佳源電阻并不是最大傳輸功率時的電阻最大傳輸功率時的電阻 nsoptnERI噪聲匹配舉例：噪聲匹配舉例： 熱敏電阻；熱敏電阻； 熱釋電探測器；反偏光電二級管熱釋電探測器；反偏光電二級管-常用器件最佳源電阻分布示意圖 例：例： 熱電偶；

12、熱電偶； 光電池光電池 純電阻純電阻 信號源信號源探測器探測器信號源信號源僅有僅有熱噪聲熱噪聲熱噪聲熱噪聲其他噪聲其他噪聲探測器探測器信號源信號源熱噪聲熱噪聲其他噪聲其他噪聲經(jīng)推導(dǎo)得：放大器噪聲系數(shù)經(jīng)推導(dǎo)得：放大器噪聲系數(shù)F Rsopt取取Rsopt Rsopt = En / In 作為噪聲匹配電阻作為噪聲匹配電阻, 噪聲噪聲系數(shù)計算的最大誤差不超過系數(shù)計算的最大誤差不超過30%。其計算結(jié)果在。其計算結(jié)果在工程實際允許的誤差范圍內(nèi)工程實際允許的誤差范圍內(nèi)第第1111章章 光電檢測電路與信號處理光電檢測電路與信號處理11.1 檢測電路的帶寬和頻率特性檢測電路的帶寬和頻率特性11.2 前置放大器的

13、低噪聲設(shè)計前置放大器的低噪聲設(shè)計11.3 微弱光電信號的處理方法微弱光電信號的處理方法有特殊要求的有特殊要求的電學(xué)信號處理方法電學(xué)信號處理方法 11.3 微弱光電信號的檢測與處理微弱光電信號的檢測與處理 S/N 1 微弱信號微弱信號（微弱光電信號）（微弱光電信號）生物生物超微弱超微弱發(fā)光發(fā)光 101000個光子個光子/ scm2 高反射片的高反射片的散射光（反射率散射光（反射率0.99990.9999）導(dǎo)彈等飛行體輻射導(dǎo)彈等飛行體輻射 強烈背景輻射強烈背景輻射 問題的提出問題的提出 鎖相放大器鎖相放大器取樣積分器取樣積分器光子計數(shù)系統(tǒng)光子計數(shù)系統(tǒng)常用微弱光電信號檢測方式：常用微弱光電信號檢測方

14、式：11.3.1 鎖相放大器鎖相放大器Lock-in Amplifieres，簡稱，簡稱LIA 鎖定放大器由鎖定放大器由信號通道信號通道、參考通道參考通道和和相敏檢波相敏檢波等三等三個主要部分組成個主要部分組成 。信號通道信號通道 放大器，窄帶濾波（預(yù)處理）放大器，窄帶濾波（預(yù)處理）參考通道參考通道 觸發(fā)電路觸發(fā)電路( (調(diào)制信號控制調(diào)制信號控制) )，移相，移相相敏檢波相敏檢波 乘法器，低通濾波，放大器乘法器，低通濾波，放大器基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 基本原理基本原理ssm0rrm0cos()cosUUtUUt（）osrsmrm01cos()cos()22UU UU Uttosmrm1cos()2U

15、U Ut =0， =0，輸，輸出直流信號最大出直流信號最大osmrm12UU U 11.3.2取樣積分器取樣積分器又稱為又稱為Boxcar平均器平均器 一個周期性十分微弱的一個周期性十分微弱的信號被背景噪聲所淹沒信號被背景噪聲所淹沒如何從背景噪聲中檢測如何從背景噪聲中檢測出該周期性信號呢？出該周期性信號呢？取樣積分器工作的前提取樣積分器工作的前提微弱周期信號的周期是已知的。微弱周期信號的周期是已知的。如：激光脈沖測距的激光脈沖周期是已知的如：激光脈沖測距的激光脈沖周期是已知的取樣積分器的思路取樣積分器的思路如果們能夠很準(zhǔn)確地對準(zhǔn)周期信號的某一點，在每如果們能夠很準(zhǔn)確地對準(zhǔn)周期信號的某一點，在每

16、個周期的這一時刻，都對信號進行取樣，并把取樣個周期的這一時刻，都對信號進行取樣，并把取樣值保存在積分器中值保存在積分器中經(jīng)過經(jīng)過m m次取樣后，信號得到了倍增，而隨機噪聲長次取樣后，信號得到了倍增，而隨機噪聲長時間的平均值將收斂為零，所以信號能從噪聲中顯時間的平均值將收斂為零，所以信號能從噪聲中顯現(xiàn)出來現(xiàn)出來如果對周期信號的每一點都這樣處理，那就有如果對周期信號的每一點都這樣處理，那就有可能將被噪聲淹沒的信號恢復(fù)波形?？赡軐⒈辉肼曆蜎]的信號恢復(fù)波形。定點測量方式定點測量方式掃描測量方式掃描測量方式定點測量方式定點測量方式開關(guān)動作由觸發(fā)信號控制，它由光載波的調(diào)制信號形成。開關(guān)動作由觸發(fā)信號控制，

17、它由光載波的調(diào)制信號形成。在開關(guān)接通的時間內(nèi)，輸入信號通過電阻在開關(guān)接通的時間內(nèi)，輸入信號通過電阻R向存儲電容向存儲電容C充電，得到信號積分值，噪聲長時間積分值為零充電，得到信號積分值，噪聲長時間積分值為零掃描測量方式掃描測量方式可以可以恢復(fù)恢復(fù)和和記錄記錄 被測周期性被測周期性信號波形信號波形若門延時借助慢掃描電壓若門延時借助慢掃描電壓緩慢而連續(xù)改變，則可掃緩慢而連續(xù)改變，則可掃描整個周期性信號描整個周期性信號11.3.3 光子計數(shù)系統(tǒng)光子計數(shù)系統(tǒng)鎖定放大器和取樣積分器：鎖定放大器和取樣積分器：適應(yīng)于適應(yīng)于周期性、連續(xù)性周期性、連續(xù)性的的信號檢測信號檢測 更微弱光信號量子特征：更微弱光信號量

18、子特征： u離散信號脈沖離散信號脈沖u不具有周期性重復(fù)特征不具有周期性重復(fù)特征光子計數(shù)器用于測量光子計數(shù)器用于測量10-16W的連續(xù)弱輻射：的連續(xù)弱輻射：1610W1510W1310W10-14W He-Ne連續(xù)弱輻射發(fā)射光子的速率連續(xù)弱輻射發(fā)射光子的速率1414410103.18 10 /nshhc光電倍增管接收單光子產(chǎn)生的電流脈沖幅值光電倍增管接收單光子產(chǎn)生的電流脈沖幅值單光子單光子陽極電子數(shù)陽極電子數(shù)105-107(寬度為寬度為5-15ns脈沖脈沖)6199101.6 101610 10pQIAt第一鑒別電平第一鑒別電平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：p99圖4-47低于第一鑒別電平的脈沖低于第一鑒別電平的脈沖高于第二鑒別電平的