第10章光电检测电路与信号处理（zm2014秋)

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1、光电探测与信号处理第10章光电检测电路与信号处理光学与电子信息学院赵茗副教授zhaoming@hust.edu.cn课程主要内容四大部分：光辐射源理论基础光电探测器光电信号光电系统变换与处理分析设计¾光学信号变换教材第八章光电信号¾光－电信号变换变换与处理教材第九章¾电学信号变换教材第十章光电探测与信号处理•10.1检测电路的带宽和频率特性•10.2光电检测电路的低噪声设计•10.3微弱光电信号的处理方法10.1检测电路的带宽和频率特性101110.1.1检测电路的基本结构和技术要求10.1.2检测电路的带宽10.1.3检测电路的频率特性分析

2、与设计光电检测电路基本任务©偏置电路设计（静态设计）©频率响应设计（动态设计）©噪声特性设计10.1检测电路的带宽和频率特性101110.1.1检测电路的基本结构和技术要求10.1.2检测电路的带宽10.1.3检测电路的频率特性分析与设计1.带宽的含义K(f)100%707%70.7%fffLCHCΔf=f－f≈fHCLCHC2.带宽对信号质量的影响Δf太小，频率失真（波形失真）带宽ΔfΔf太大，噪声大（例：热噪声）电路带宽Δf根据信号的频谱特性来确定3.如何确定检测电路带宽？正弦调制信号:振幅调制：Δf≥=BF2频率调制：Δf≥=BmF21

3、(f+)例1：确定调幅波检测电路的带宽调制频率为F＝100Hz电路带宽Δf＝2F＝0.2kHz载波频率为f＝5KHz0脉冲波信号的带宽分析tTdt－脉冲宽度d脉冲重复频率f=200kHz，脉宽t=0.5μs0d脉冲波信号的带宽分析∞St()=+b0n∑bcos2nπf0t主要频谱能n=1量范围2stn⎛⎞inπftd0dbA=⎜⎟nmTn⎝⎠πft⎝⎠0dnf′=1/t0dBnf=′=1/t0d正弦调制信号:振幅调制：Δf=2F频率调制：Δf=2(mf+1)F脉冲波信号：1要求信噪比高：Δf=(025075)(0.25~0.75)tdt为脉冲

4、宽度d1Δf=（1～）4⋅要求脉冲形状好：td10.1检测电路的带宽和频率特性101110.1.1检测电路的基本结构和技术要求10.1.2检测电路的带宽10.1.3检测电路的频率特性分析与设计激光脉冲重复频率f=200kHz，脉宽t=0.5μs0d信号带宽B=1/t=2MHz电路带宽△f=3MHzd课本P303例1输入级电路前置放大器后续放大器6MHz6MHz6MHz光电探测与信号处理•10.1检测电路的带宽和频率特性•10.2光电检测电路的低噪声设计•10.3微弱光电信号的处理方法－－问题的提出探测器噪声电路噪声提高系统信噪比途径：－－光学

5、方法－－电学方法－－热力学方法10.2光电检测电路的低噪声设计102110.2.1前置放大器的噪声10.2.2光电检测电路的噪声10.2.3光电检测电路的噪声估算1.放大器E－I噪声模型：nnV－信号源，Z－放大器的输入阻抗，R－信号源内阻，E为R的热噪声siSnsSE－噪声电压源，I－噪声电流源，Av－放大器电压增益，nnE-I模型的优点：nn•简化系统噪声计算：放大器可看成是无噪声的，只要分析E、I在整个电路中所起的作用。nn•实验基础：可实验测量得出E、I的具体大小。nn进一步考虑这三个噪声源的共同效果，将它们统统等效地归结到信号源位置

6、上，用单一噪声源代替原系统的所有噪声源,称为等效输入噪声E。niVsoQ:如何得到等效输入噪声Eni？Eno根据电路叠加原理，各噪声源在放大器输出端的贡献分别为：E的贡献nE的贡献nsI的贡献nZiòEns的贡献为：Eno′(Ens)=EnsAvRs+ZiZiòEn的贡献为：Eno′′(Ens)=EnAvRs+ZiRsZiòIn的贡献为：Eno′′′(In)=In(Rs

7、

8、Zi)Av=InAvRs+Zi若E、I不相关，将上述各项均方相加便得总的输nn出噪声为：2222Eno=Eno′(Ens)+Eno′′(En)+Eno′′′(In)2222

9、⎛⎜Zi⎟⎞2⎛⎜Zi⎟⎞22⎛⎜Zi⎞⎟=Ens⎜Av⎟+En⎜Av⎟+InRs⎜Av⎟⎝Rs+Zi⎠⎝Rs+Zi⎠⎝Rs+Zi⎠ZiAvs=Av－信号源到放大器输出端的传输函数Rs+Zi（考虑源在内的系统增益，注意和A的区别！）v等效输入噪声为：22Eno2222Eni==E+E+IR2nsnnsAvs•测E。放大器输入端短路，即R＝0（E、IR均为零），nsnsns测得放大器输出端的噪声电压均方根值为AE，除以A得E；vnvn•测I。取一个很大的电阻作为源电阻即R＝无穷大（IR），nsns测得放大器输出端的噪声电压均方根值为AIR，除以

10、ARvsnsvss得I。n纯电阻信号源仅有热噪声例如：低噪声放大器OP27--选择低噪声放大En=3.5nV/Hz1/2,In=1.7pA/Hz1/2器就行了？2.