光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)

光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)第一頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日系統(tǒng)噪聲外部噪聲內(nèi)部噪聲包括：輻射源的隨機(jī)波動(dòng)和附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)的湍流和背景起伏、雜散光的入射以及檢測(cè)電路所受到的電磁干擾等

可以通過(guò)穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振片或?yàn)V色片減小或消除，對(duì)電磁干擾采用電氣屏蔽、電干擾濾波等措施加以改善或消除。

光電檢測(cè)器件、檢測(cè)電路等器件的固有噪聲，是基本物理過(guò)程決定的，不可人為消除。噪聲和有用信號(hào)同時(shí)存在、相互混淆，影響信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，限制了檢測(cè)系統(tǒng)分辨率的提高。光電信號(hào)處理的核心問(wèn)題之一就是有關(guān)噪聲干擾的分析以及如何從噪聲中提取有用信號(hào)。因此，在光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中，要進(jìn)行綜合噪聲估算以確?？煽繖z測(cè)所必需的信噪比。10.2光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)第二頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日10.2光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)－－問(wèn)題的提出探測(cè)器噪聲輸入偏置電路噪聲前置放大器噪聲噪聲源:光電檢測(cè)電路噪聲第三頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日10.2光電檢測(cè)電路的低噪聲設(shè)計(jì)－－問(wèn)題的提出主要內(nèi)容:前置放大器噪聲設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路的噪聲等效處理及估算第四頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日1噪聲類(lèi)型①熱噪聲是導(dǎo)電材料中由于載流子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而在材料兩端產(chǎn)生的隨機(jī)漲落電壓，是電阻性電路器件的共性噪聲。噪聲電壓均方值取決于材料的溫度——噪聲功率與頻率無(wú)關(guān)，為白噪聲檢測(cè)電路通頻帶對(duì)白噪聲輸出電壓有很強(qiáng)的抑制作用

如對(duì)于室溫下R=1MΩ電阻:

電路放大倍數(shù)為110.2.1光電檢測(cè)電路的噪聲等效處理及估算第五頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日②散粒噪聲探測(cè)器的散粒噪聲是由載流子的由載流子的微粒性引起的。光輻射中光子到達(dá)率的起伏，光電子從材料表面逸出的隨機(jī)性，PN結(jié)中過(guò)結(jié)數(shù)的隨機(jī)性。電荷載體數(shù)量的任何波動(dòng)都會(huì)在那個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生隨機(jī)的電流，這就是散粒噪聲。和熱噪聲不同，散粒噪聲的量值不取決于溫度，而由流過(guò)器件的平均電流決定，散粒噪聲電流和電壓均方值：散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)。散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)器的研究表明，散粒噪聲具有支配地位。第六頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日因光或熱激發(fā)產(chǎn)生載流子和載流子復(fù)合這兩個(gè)隨機(jī)過(guò)程，在平衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的，但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)會(huì)使載流子濃度起伏引起電流隨機(jī)起伏，

③產(chǎn)生與復(fù)合噪聲噪聲電流相對(duì)低頻狀況④1/f噪聲閃爍噪聲：稱(chēng)1/f

噪聲或低頻噪聲，由元器件中存在局部缺陷或有微量雜質(zhì)所引起的；噪聲電流第七頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日2噪聲等效處理

將各種器件的噪聲等效為相同形式的均方值（或有效值）電流源的形式a單一電阻b電阻串聯(lián)c電阻并聯(lián)綜合噪聲電流：a電阻電路第八頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日——等效噪聲帶寬:b并聯(lián)RC電路：

并聯(lián)RC電路對(duì)噪聲的影響相當(dāng)于使電阻熱噪聲的頻譜分布是由白噪聲變窄為等效噪聲帶寬Δfe等效噪聲帶寬

第九頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日確定器件和電路的固有噪聲電平計(jì)算信噪比估算出為保證可靠檢測(cè)所必須的最小輸入光功率值3典型光電檢測(cè)電路的噪聲估算檢測(cè)電路噪聲估算的目的：噪聲估算的具體步驟是：

首先確定檢測(cè)器件和前級(jí)電路的噪聲源其次計(jì)算等效電阻和復(fù)合阻抗下的噪聲等效帶寬，畫(huà)出檢測(cè)電路的噪聲等效電路最后根據(jù)噪聲等效電路計(jì)算噪聲輸出電壓、信噪比和最小輸入光功率值第十頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日例1：P332,光電倍增管的陰極積分靈敏度SK=30μA/lm，陽(yáng)極積分靈敏度SA=10A/lm，陽(yáng)極暗電流Id=4nA，輸出電路的負(fù)載電阻為R=105?，并和電容C=0.1μF并聯(lián)，陰極面積為80mm2，陽(yáng)極輸出的信號(hào)電流為10μA.第十一頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日光電倍增管

噪聲源光電陰極和倍增極的散粒噪聲

負(fù)載電阻R上的熱噪聲

主要噪聲噪聲等效帶寬噪聲等效電路電路帶寬

等效噪聲帶寬第十二頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日光電倍增管

陽(yáng)極輸出噪聲電流為：

陽(yáng)極輸出總信噪比:

最小輸入光功率值:負(fù)載噪聲電壓為：

第十三頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日第十四頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日性能上：低噪聲、高增益、低輸出阻抗、足夠的信號(hào)帶寬和負(fù)載能力，以及良好的線性和抗干擾能力結(jié)構(gòu)上：緊湊、靠近光電探測(cè)器件，良好的接地和屏蔽10.2.2光電信號(hào)前置放大器的設(shè)計(jì)

前置放大器的任務(wù)：放大光電探測(cè)器輸出的微弱電信號(hào)匹配后置處理電路與探測(cè)器件之間的阻抗對(duì)前置放大器的要求：第十五頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日

1.放大器En－In噪聲模型

En－In噪聲模型將放大器內(nèi)部的所有噪聲源都折算到輸入端，即用阻抗為零的噪聲電壓發(fā)生器En和輸入端串聯(lián)，用阻抗為無(wú)限大的噪聲電流發(fā)生器In和輸入端并聯(lián)，而放大器內(nèi)部成為一個(gè)無(wú)噪聲的理想放大電路。2.等效輸入噪聲：

第十六頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.等效輸入噪聲：

放大器輸入端噪聲電壓：第十七頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.等效輸入噪聲：

3.En－In的測(cè)量En的測(cè)量方法：在放大器輸入端短路，即信號(hào)源內(nèi)阻Rs＝0的條件下測(cè)量總輸出噪聲，即為AvEn，然后除以放大器增益Av，就得到En。In的測(cè)量方法：采用大的（信號(hào)）源電阻（或輸入端開(kāi)路）條件下，測(cè)得放大器輸出噪聲電壓，除以系統(tǒng)增益Av和Rs，就得到In。

第十八頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日4.噪聲系數(shù):NF=10lgF（dB）用分貝表示：

噪聲系數(shù)F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)。低噪聲設(shè)計(jì)的目的既是使NF盡可能的小。

第十九頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.噪聲匹配當(dāng)探測(cè)器的內(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(chēng)為探測(cè)器與放大器之間達(dá)到了噪聲匹配?！罴言措娮璧诙?yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日n級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路噪聲系數(shù)：

AP1很大時(shí)，F(xiàn)≈F1－－前置放大器的噪聲貢獻(xiàn)例1：光電倍增管和雪崩光電二極管高內(nèi)增益

例2：光電二極管無(wú)內(nèi)增益

最佳源電阻噪聲系數(shù)最小第二十一頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日6低噪聲設(shè)計(jì)①有源器件的選取常用器件最佳源電阻分布示意圖Rs較小時(shí)：100-1M?，如光電池，選用由晶體管或集成運(yùn)放構(gòu)成的低噪聲放大電路。Rs較大時(shí)：1K-10M?，選用由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的低噪聲放大電路。Rs再大時(shí)：1M-10G?，選用由MOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的低噪聲放大電路。采用輸入變壓器耦合：根據(jù)變壓器的變化關(guān)系，次級(jí)上的信噪比沒(méi)有變化，而等效源電阻卻增為n2RS，適當(dāng)選擇n，可實(shí)現(xiàn)噪聲匹配。適用于源電阻較小時(shí)。1）噪聲匹配的方法第二十二頁(yè)，共二十五頁(yè)，編輯于2023年，星期日輸入放大器并聯(lián)適用于源電阻較小時(shí)或放大器的最佳源電阻較大時(shí)。與探測(cè)器串聯(lián)的阻抗元件，應(yīng)滿足：與探測(cè)器并聯(lián)的阻抗元件，應(yīng)滿足：②無(wú)源器件的選取電阻：選用噪聲較小的金屬膜或繞線電阻電容：損耗角小的云母電容器或瓷介電容器變壓器：好的磁屏蔽和靜電屏蔽2低噪聲放大器的屏蔽與接地3低噪聲放大器對(duì)電源的要求第二十三