直接探测和外差探测要点课件.ppt

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1、第3章直接探测与外差探测1光－电信号变换光电探测器光信号电信号响应平均光功率直接探测响应光的频率···相干探测2(1)基本物理过程：若探测器的负载电阻是RL，则光电探测器的输出功率为光波：光功率：1.直接探测的基本原理平方定律：3(2)信噪比设输入的信号功率和噪声功率分别为si和ni，输出的分别为so和no。由平方律有考虑到信号和噪声的独立性，可得输出信噪比为讨论：（1）si/ni《1，则有，说明直接探测不适合微弱信号的探测；（2）si/ni》1，则有，转换后信噪比损失不大；4(3)等效噪声功率具有内增益的光电探测器的电输出功率为输出的噪声功率为信号光电流：背景光电

2、流：暗电流：电阻温度噪声电流：对于光电二极管，M=1，对于光电导探测器前面的2改为4.输出信噪比为探测器的噪声等效功率为5讨论：（1）热噪声优势（2）散粒噪声优势（3）散粒噪声和热噪声相当（4）信号噪声极限，只考虑光信号噪声。例：η为1，Δf为1Hz，NEP～2hν，已很接近单个光子的能量hν。光电二极管光电倍增管雪崩光电二极管6提高系统信噪比的基本途径：－－光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜·····－－－－－《应用光学》－－电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信号检测·······－－－－－热力学方法，制冷降低探测器噪声信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标7

3、2.直接探测的应用举例激光制导、飞行物自动跟踪激光稳频、机器人视觉·········几何量（长度、位移····）表面形状参量（工件粗糙度、伤痕···）光学参量（吸收、反射···）电磁量（电流、电场、磁场···）··············应用于测量：应用于控制：特点：信息加载－－辐通量（光强）83.3前置放大器的噪声匹配当光信号功率较小时，光电探测器的电信号输出也相应地减小。为了信号处理、显示的需要，往往需要跟随前置放大器。放大器的引入对探测系统的输出信噪比将产生影响。光探测器及其偏置电路耦合网络低噪声前置放大器多级放大系统反馈电路放大器偏置电路后级信号处理电路光探

4、测电路示意图9Vs－信号源，RS－信号源内阻，Ens－RS的热噪声En－放大器噪声电压源，In－放大器噪声电流源，Av－放大器电压增益，Zi－放大器的输入阻抗，Eni－放大器输入端的噪声电压，Eso－放大器的输出端电压，Eno－放大器输出端的总噪声电压EsoEno3.3.1前放噪声等效电路根据电路叠加原理，各噪声源在输出端的贡献分别为：Ens的贡献为：En的贡献为：In的贡献为：Ens的贡献En的贡献In的贡献10将上述各项均方相加便得总的输出噪声为：因此等效输入噪声为：－放大器的电压传递函数（考虑源在内的系统增益，注意和Av的区别！）－放大器的功率传递函数可以看出

5、，放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达式中。放大器便视为是无噪声的。11这个模型中所采用的各个参数容易测量。首先，源电阻Rs的热噪声Ens，可以由电阻的热噪声公式求出；其次计算放大器前的电路的开路输出噪声电压(或短路输出噪声电流)；然后折合到源端位置就得到等效输入噪声电压Eni的大小。放大器的输入信噪比为：放大器的输出信噪比为：放大器噪声的存在，使放大器的输出信噪比受到损失。122.噪声系数（NoiseFactor）：输出端总噪声功率源电阻产生的输出噪声功率F=即Kp为放大器系统的功率增益（1）基本定义从输出端角度出发13（2）推导式一总的等效输入噪声功率输入

6、端源电阻噪声功率F=上下同除以Kp，即放大器噪声总是存在，F大于1的原因从输入端角度出发从输入端角度出发14（3）推导式二放大器输入噪声功率输入端源电阻噪声功率F=1+15（4）推导式三输入端信噪比输出端信噪比F=不为Eni，此时输入端噪声功率仅为源电阻产生的热噪声功率用分贝表示则写成：16放大器的噪声系数的定义表示信号通过放大器后，信噪比变坏的程度：如果放大器是理想的无噪声的线性网络，那么其输入端的信号与噪声得到同样的放大，即输出端的信噪比与输入端的信噪比相同，于是F=1或NF=0dB；如果放大器本身有噪声，又无滤波功能(如前放一般不采取带限措施)，信号通过放大器

7、后，则信号和噪声都同样放大，则输出噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和。对这样的放大器，信号经放大后，信噪比不可能变好，输出端的信噪比就比输入端的信噪比低，则F>1。噪声系数意义：17求偏导：得：因此，当信号源的内阻等于放大器的源电阻时噪声系数NF取得最小值与功率匹配区别！当信号源的内阻等于放大器的最佳源电阻值时，放大器对检测电路附加的噪声最小，称为信号源与放大器之间达到了噪声匹配。这是低噪声设计的一个重要原则。称此时的源电阻为放大器的最佳源电阻，记为Ropt当Rs=Ropt时，可使放大器的噪声系数为最小，这时源电阻和放大器的配置称为“噪声