光电探测器的放大电路.ppt

1 第四章光电信号处理 4 1光辐射探测过程的噪声4 2光电探测器的偏置电路4 3光电探测器的放大电路4 4微弱信号检测4 5锁定放大器4 6取样积分器4 7光子计数器 2 4 3光电探测器的放大电路 从光电探测器获取信号 除了要有必要的偏置电路外 还必须有耦合网络才能将探测器输出的信号送到后续的低噪声前放进行放大 这一节我们讲述耦合网络的类型 以及耦合网络的低噪声设计的原则 4 3 1耦合网络的低噪声设计原则 3 如图 Zs表示探测器和偏置电路形成的等效阻抗 Vs表示由探测器得到的信号电压 光电探测器及其偏置电路就可以看出一个内阻的Zs电动势为Vs信号源 4 信号源与前放耦合的方式有下列五种 1 并联型 5 2 串联型 6 3 串并型 7 4 并串型 8 5 串并串型 9 耦合网络除了要符合电子学的设计原则之外 从降低噪声提高输出端信噪比的角度来考虑和分析 为了尽量减少耦合网络带来的噪声 必须满足下列条件 1 对于耦合网络中的串联阻抗元件 2 对于耦合网络中的并联阻抗元件En In为前置放大器的En In模型中En In参量 10 3 为了减小电阻元件的过剩噪声 过剩噪声是除了热噪声之外的一种由流过电阻的直流电流所引起的1 f噪声 必须尽量减小流过电阻的电流 或降低电阻两端的直流压降 由于每一个元件都是一个噪声源 对系统的输出噪声都有贡献 因此为了减小输出端的噪声 提高信噪比 应尽量采用简单的耦合方式 在可能的情况下 应采用直接耦合方式 从而消除耦合网络所带来的噪声 在迫不得已要采用耦合网络时 注意遵循上述原则 11 4 3 2多级放大器的噪声系数NF1 2 n 单级放大器噪声系数NFPni为输入端噪声功率 即源的噪声功率 Pn为放大器内部噪声在输出端的体现 Pn0为输出端总的噪声功率 Ap为放大器的功率增益 根据噪声系数NF的定义 可得到 当一个放大器的输入端Pni变化时 其NF也是随着变化的 12 多级放大器的噪声系数 Pni为第一级输入端的输入噪声功率 也是整个系统的输入噪声功率 Pn1 Pn2 Pn3分别为各级所产生的噪声功率 在各级输出端的体现 Ap1 Ap2 Ap3分别为各级的功率增益 13 由得 每个放大器单独和源相连接时 得到 14 三级放大器级联成为一个放大系统 此系统的噪声系数 Pn为三级级联放大器内部噪声功率在输出端的体现 即 Ap为三级放大器的总的功率增益 15 所以 对于n级级联放大器 可以得出其噪声系数为 这就是多级放大器的噪声系数理论的Friis公式 16 多级放大器的噪声系数理论的Friis公式是Friis在1994年7月发表的 从这个公式可以看出 多级放大器噪声系数的大小 主要取决于第一级放大器的噪声系数 为了使多级放大器的噪声系数减小应尽量减小第一级的噪声系数 以及提高第一级的功率放大倍数Ap1 这就是指导我们设计低噪声前放的又一个重要原则 17 只考虑前放噪声的条件 前放采取低噪声设计方法 且噪声匹配 满足级联低噪声条件 反馈电路的低噪声条件 串联负反馈 反馈合成电阻应远小于En In 并联负反馈 反馈合成电阻应远大于En In 18 偏置电路的低噪声条件 19 20 4 3 3低噪声前放的选用 在光电系统中 紧接着探测器后面的就是耦合网络和前置放大器 为了将探测器输出的微弱信号放大 必须合理地设计或选用低噪声前置放大器 以保证放大器的输入端和输出端有足够大的信噪比 首先介绍低噪声前放的选用方法 21 噪声系数NF是用来描述放大器 或一个器件 噪声性能的参数 如果一个放大器是理想的无噪声的放大器 那么 它的噪声系数NF 1 而NF 10lg NF 0 dB 一个实际的质量好的低噪声前置放大器其NF值可以做到0 05dB 甚至更低 生产厂商在出售低噪声前放时 都附有关的技术资料 其中就包括提供各种测试条件下的NF值 22 1 根据NF值来计算低噪声前放的等效输入噪声Eni 采用分贝表示的噪声系数 得 此式表明 如果已知前放的NF值 信号源的源电阻Rs及带宽 f 在其中心频率f0附近 则放大器的等效输入噪声Eni即可求出 23 2根据Eni和Vs来选用前放已知放大器等效输入噪声Eni的大小 将Eni和放大器输入端的信号Vs进行比较 就可判定这个放大器是否符合要求 一般是根据系统的 Vs Eni 比值的要求来选定放大器的NF值 要注意的是NF值和Eni的大小都是和源电阻及带宽 f密切相关的 其中带宽 f是由系统的需要所确定的 并且是由系统中的某一部件 例如带通滤波器或者前放本身所决定的 24 例如有两个标号分别为1号 2号的前置放大器 它们的有关数据经计算列于下表 25 如果被测信号为Vs 1 V f 100Hz Rs 100 且系统要求 如果选用1号放大器则 不合要求 如果选用2号放大器 则 符合要求 故在信号源内阻Rs 100 系统带宽 f 100Hz 且要求Vsi Eni 10的条件下 应该选择2号放大器作为低噪声前放使用 26 若其它条件不变 采取压缩带宽的措施 使 f 1Hz 经过计算 可以知道 1号放大器也可以适用 故压缩带宽对克服噪声是非常有利的 但是压缩带宽在某些情况下可能损失信息量 所以压缩带宽有时要付出一定的代价 27 3NF图的应用NF的表达式如下 选定不同的Rs和 f测出Eni就可以得到一系列的NF值 生产厂家在测量中通常的做法是在放大器后面接一个中心频率f0可调的带通滤波器 采用噪声发生器法 或正弦波法 测出不同Rs和f0条件下的一系列NF值 都标在坐标图上 坐标图以f0为横坐标 Rs为纵坐标 且均以对数为标度 将所以NF值相等的点连接起来 就得到一幅NF等值图 称为放大器的噪声因子图或NF图 不同的放大器有不同的NF图 放大器一经制成 NF图的结果就是唯一的 生产厂家必须向用户提供低噪声前置放大器的NF图 它充分反映了该放大器的噪声特性 28 美国PARC公司113型低噪声前放的等值图 29 利用NF图 我们可以做到如下几点 1 从NF图中 可以选择NF最小的Rs和f0的范围 如113型低噪声前放NF 0 05dB等值线f0的范围在几个Hz到几KHz 而Rs的范围从几百K 到十兆 10M 2 在实际的微弱信号检测中 不同的检测对象可根据NF图选择最适用的前放 由于测量和放大的对象不同 源电阻Rs的差异是很大的 例如 光电信增管 PMT 为高阻Rs 热电偶的Rs却很低 同样 工作频率的选择也不一致 如声学或生物医学的使用常在低频范围 而某些电检测又常常避开1 f噪声 需选择中频区 NF图为我们正确选择前放提供了依据 30 3 利用NF图还可以计算出最小可检测信号MDS的大小 MDS的定义为折合到放大器输入端的Eni 由公式 可以由等值图中最小的NF值即能计算出低噪声前放在一定条件下的最小的Eni 这就是MDS 在科研和开发中 选购低噪声前放时 应注意利用NF图及有关技术参数 其它参数还有如输入 输出阻抗 增益 带宽 NF最小点 增益稳定度等 31 4 3 4低噪声运算放大器的选用 由于集成电路制造技术的不断提高 低噪声 低温漂的运放也越来越多 因此 在低噪声前放的设计中 可直接选用性能优良的低噪声运算放大器 这可以省去许多的时间 32 利用低噪声运放的NF Rs曲线选择运放 对于低噪声运放 生产厂家一般会在其产品手册中提供一定测试条件下的NF Rs曲线 如下便是两例 OP 07的NF Rs曲线LMC662的NF Rs曲线从NF Rs曲线上可以清楚地看到 在所运用的频率范围下 源电阻Rs和NF的关系 当源电阻为50K 运用频率为1KHz时 OP 07的NF约为3dB 而LMC662却为8dB 故这两者比较应选用OP07 33 利用En In计算Eni许多生产厂家 只提供了噪声的谱密度函数 单位分别是 A Hz 1 2和V Hz 1 2此时 可根据源电阻Rs的情况 选用和均小的运放 但是在Rs大的情况下 起着比较大的作用 根据实际计算来确定Eni从而和Vs比较 再根据Psi Pni 或Vsi Eni 的要求来决定运放是否符合要求 34 例如 OP07和LMC662在1KHz时的和分别如下OP079 6nVHz 1 2120fAHz 1 2LMC66222nVHz 1 20 113fAHz 1 2常温下 当Rs 50K 且工作1KHz条件下应选哪一种运放 35 对OP07 对OP07来说 在T 290K 1kHz带宽下 现分别计算如下 36 对OP07来说 对LWC662 故选用OP07 37 注意事项 等效输入噪声中由放大器提供的噪声不仅与放大器本身En和In有关 而且与信号源内阻Rs有关 当运放技术资料中只给出En 而没有In时 可以利用散粒噪声公式来估算In