光电检测技术教学课件作者胡涛第7章节课件

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1、第七章光电信号处理7-1光电检测系统的噪声7-1.1噪声的分类及性质外部干扰噪声来自机械振动和辐射源的随机波动及其附加的光调制、光路传输介质的湍流和背景起伏、杂散光的入射以及检测系统所受到的电磁场干扰等可以通过稳定辐射源、遮断杂光、光学滤波、差动抑制以及采用偏振片和滤光片等手段来抑制光辐射干扰；通过选用适当的屏蔽、滤波等手段可以抑制电磁干扰。内部噪声主要是光电检测器件、检测电路的器件和电路结构等的固有噪声噪声是随机起伏的，覆盖了很宽的频谱范围并与有用信号共存，限制了信号探测的准确性及检测系统的分辨率7-1.2光电探测器主要的噪声类型1.热噪声热噪声电压均方值取决于材料的温度：热

2、噪声电压和热噪声电流的功率谱密度：热噪声是由导体中的自由电子做无规则热运动引起的。在短时间间隔或导体局部并不为零，而是在平均值上下进行波动，形成噪声。由于电子无规则热运动的均方速率与热力学温度成正比，所以称这样产生的噪声为热噪声，它是电阻性电路器件的共性噪声。7-1.2光电探测器主要的噪声类型1.热噪声光电检测电路的通频带（带宽）对白噪声输出电压具有很强的抑制作用。（a）热噪声的功率谱（b）等效噪声带宽热噪声的功率谱分布和等效噪声带宽图7-1.2光电探测器主要的噪声类型2.散粒噪声引起:光辐射随机起伏导致的光电流的随机起伏。来源:在光电管中的光电子从材料表面逸出的随机性和结中载

3、流子过PN结数目的随机性。出现：主要在光电子发射和光伏类器件中产生：在晶体三极管与二极管中，也存在散粒噪声，它是载流子越过势垒区的随机性产生的。当载流子扩散流过PN结时，载流子的速度不可能完全一致，因而电流会产生波动。若器件的通频带为散粒噪声电流均方值为散粒噪声显然与频率无关，是一种白噪声7-1.2光电探测器主要的噪声类型3.产生-复合噪声引起:光电探测器内因光和热激发的载流子在探测器内流过的时间很长，有可能超过载流子的寿命。定义:载流子数量和寿命都是随机的，所以载流子的产生和复合均会引起噪声散粒噪声显然与频率无关，是一种白噪声产生—复合噪声电流均方值7-1.2光电探测器主要的

4、噪声类型4.噪声噪声又称低频噪声或闪烁噪声，它是半导体辐射探测器件中的一种基本噪声，并广泛存在于电子管、晶体管及电阻等电子元器件中。噪声是与工作频率成反比的，不属于白噪声。噪声电流：近似为：噪声的电压值：通过提高系统的调制频率可以有效的抑制噪声对检测系统的影响7-1.2光电探测器主要的噪声类型5.温度噪声无入射辐射存在的情况下，由探测器自身温度起伏引起的探测器输出称为温度噪声，它是热探测器的主要噪声，会影响热探测器的最小可探测辐射范围。用温度起伏的均方值描述：7-1.3噪声等效分析与设计对于噪声的估算可遵循先确定检测器件和前级电路的噪声源；然后计算等效电阻和复合阻抗的噪声等效带

5、宽，绘制检测电路的噪声等效电路；最后根据噪声等效电路计算噪声输出电压、信噪比和最小输入光功率值。噪声估算的目的在于确定器件和电路的固有噪声电平、计算信噪比、估算出为保证可靠检测所必须的最小输入光功率值。7-1.3噪声等效分析与设计1.电阻噪声等效分析图7-2电阻元件的热噪声等效模型电阻元件的热噪声电压和热噪声电流分别为：当存在多个电阻并联、串联的情况下7-1.3噪声等效分析与设计2.电容和电阻并联情况下噪声等效分析当电路中存在电阻与电容并联的情况时合成阻抗可表示为：并联RC电路的噪声电压有效值为：定义为噪声等效带宽并联RC电路对噪声的影响相当于使电阻热噪声的频谱分布由白噪声变窄

6、为等效噪声带宽。用均匀等幅值的等效带宽代替了实际噪声频谱的不均匀分布。7-1.3噪声等效分析与设计3.放大器的噪声等效分析通常，光电探测器件的输出端都紧密连接一个低噪声前置放大器，它主要用于放大光电探测器件输出的微弱电信号，并实现探测器件与后续处理电路之间的阻抗匹配。（1）放大器的噪声电压-噪声电流模型（模型）放大器的内部噪声可以使用串联在输入端上具有零阻抗的电压发生器和一个并联在输入端上具有无穷大阻抗的电流发生器表示。相当于将放大器的所有内部噪声源都折算到输入端，而放大器本身可以被看作一个无噪声的理想放大电路。图7-3放大器噪声模型7-1.3噪声等效分析与设计（2）放大器的等

7、效输入噪声令模型中的参数具有易测量的特性，在分析放大器噪声时，通常使用模型.等效输入噪声应表示为：可计算放大器等效输入噪声为：依据分压和分流原理，可对三个噪声源对放大器输出的贡献进行计算:7-1.3噪声等效分析与设计（3）放大器的噪声系数NF放大器的噪声系数可表示为：转变为分贝形式：噪声系数是用来衡量一个放大器的噪声性能的参数，如果其噪声系数，则这个放大器是一个理想的无噪声的放大器；而实际的放大器，其噪声系数放大器噪声系数表示信号通过放大器后，信噪比变坏的程度，信号通过放大器后假定信号和噪声