2_2光辐射探测器理论基础_噪声.ppt

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1、第二章光辐射探测器理论基础§2.1半导体基础§2.2半导体光电效应§2.3探测器中的躁声§2.4探测器的主要特性参数2.3探测器中的噪声随机的、瞬间的幅度不能预知的探测器信号起伏，称为噪声光子噪声探测器噪声信号放大及处理噪声光学系统探测器前放信号处理显示2.3探测器中的噪声一、噪声的统计特性（1）数学期望噪声电压的在t时刻的大小，用概率密度p(vn)分布表示,它表示噪声电压vn(t)在t时刻取值为vn的概率tvn0（1）数学期望tvn0（2）方差光电系统处于稳定时，数学期望与方差不随时间变化，这时的噪声电压称为广义平稳随机过程。若噪

2、声的概率不随时间变化，则称为狭义（严格）平稳随机过程。严格平稳随机过程一定为广义平稳随机过程。光电系统中遇到的噪声还具有各态历经性，即其统计平均可以用时间平均来计算：它是一种广义平稳随机过程光电系统中热噪声电压的概率密度p(vn)一般符合高斯正态分布：高斯正态分布因为故通常a=0，为热噪声交流功率二、噪声的功率谱密度显然噪声功率Sn(f)为单位频谱的噪声功率，定义噪声的功率谱密度因为故工程上定义单边功率谱密度fSn0低频噪声高频噪声白噪声低频噪声高频噪声白噪声Sn(f)平坦三、噪声的相关函数研究噪声在不同时刻取值的相关性1、噪声的自

3、相关函数各态历经的平稳随机过程，统计特征量与时间起点无关，令t1=t,t2=t-,于是，平稳随机过程的自相关函数为：Rn()有如下性质：（1）、Rn()仅与有关，与计算时间t无关（2）、Rn()随的增加逐渐减小，表示在时间相关性上逐渐减少。当时，Rn()=0（3）、Rn()为偶函数，Rn()=Rn(-)。（4）、=0时，Rn()最大，有当E(n)=0时，维纳—辛钦定理：（省略角标n)及上式成立要求对一般光电系统都满足由于R()和S(f)均为偶函数研究多个噪声源之间的互相关性2、噪声的互相关函数各态历经

4、的平稳随机过程，统计特征量与时间起点无关，令t1=t,t2=t-,于是，平稳随机过程的互相关函数为：Rxy()有如下性质：（1）、Rxy()仅有关，与计算时间t无关（2）、Rxy()=Ryx(-)。（3）、有（4）、两个随机过程互不相关时如，被检信号与系统的观测噪声之间不存在相关性，采用互相关方法有利于抑制观察噪声维纳—辛钦定理：（省略角标n)以及互功率谱密度为Sxy和Sxy为互相关器互相关函数的计算电路延时电路参考信号y(t)要求与被检信号s(t)相关，如s(t)为正弦信号，要求y(t)同频的正弦信号延时电路噪声与

5、被检测源和参考信号无关故只要测量互相关器的输出值，就可以检测混在噪声中的信号研究两个噪声源，电压为v1、v2，它们迭加后的均方值3、噪声源的相关性与噪声电压相加若两个噪声源不相关，噪声功率可以相加，它适用于多个噪声源的情况四、等效噪声带宽光电系统中的放大器或网络的功率增益为A(f)，功率增益的最大值为Am，噪声带宽f为：因功率增益正比与网络电压增益的平方，故噪声带宽f也可表示为：式中Av(f)为电压增益，Avm为电压增益的最大值放大器或网络的带宽定义为高功率点与低半功率点之间的频率间隔。半功率电压等于高功率点电压的0.707，它

6、表明功率下降到最大值的50%。fAmA0.5Amf1如RC低通滤波器，半功率点半功率点带宽而噪声带宽f为：AfAm0.5Amf1噪声带宽f若网络是两级RC低通滤波器串联，则其响应半功率点带宽变为随着级数增加，噪声带宽接近半功率点带宽五、光电探测器的噪声1、热噪声耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起热噪声。--------Ad一个电子在相邻的两次碰撞间在外回路引起的电流脉冲为：vx为电子在x方向的速度,是相邻的两次碰撞时间间隔--------Ad其在时间内的平均值由其富里叶变换为式中0是电子热运动的平均碰撞时间电子热运动的碰

7、撞概率：决定设样品体积为V，单位体积内的分子数是N，每秒碰撞次数为Z，由自相关函数可以证明：由此得到热噪功率谱密度<<1时，0<<1时，--------Ad由固体物理学电导率有电阻在光电系统的有限通带f=f2—f1内由此得到热噪电流均方根由此得到热噪电压均方根热噪的等效电路R**R室温下T=295K对于R=1k，f=1kHz对f=500kHz若放大器增益为104，输出为28mV，不可忽略对器件降温2、散粒噪声在光电管中光电子从阴极表面随机逸出、p-n结中载流子随机通过结区产生的噪声。I为器件输出的平均电流散粒噪声的表

8、达式为散粒噪声又通常称为电子计数噪声3、产生—复合噪声载流子在瞬间的产生数和复合数的起伏，引起的样品电导率的起伏。I为器件输出的平均电流，为光生载流子的寿命，N0为总的自由载流子数散粒噪声的表达式为散粒噪声又通常称为电子计数噪声4、