【正文】 ，負載電阻 和 不能很小。但過大的阻值又使高頻截止頻率下降，降低了通頻帶寬度，因此負載的選擇要根據(jù)增益和帶寬的要求綜合考慮。只有在電流放大的情況下才允許 取得很小。并通過后級放大得到足夠的信號增益，因此，常常采用低輸入阻抗高增益的電流放大器使檢測器工作在電流放大狀態(tài)，以提高頻率響應，而放大器的高增益可在不改變信號通頻帶的前提下提高信號的輸出電壓。 bR LR 三、 光電檢測電路的噪聲估算 實際的光電檢測電路存在有各種 外部擾動 和 內(nèi)部噪聲 。外部擾動包括輻射源的隨機波動和附加的光調(diào)制、光路傳輸介質(zhì)的湍流和背景起伏、雜散光的入射以及檢測電路所受到的電磁干擾等。這些擾動可以通過穩(wěn)定輻射光源、遮斷雜光、選擇偏振面或濾色片以及電氣屏蔽、電干擾濾波等措施加以改善或消除。光電檢測器件、輸入電路和前置放大器等的器件固有噪聲是光信號檢測接收的另一主要擾動源。這些內(nèi)部噪聲是隨機起伏的，覆蓋在很寬的頻譜范圍內(nèi)，它們和有用信號同時存在，相互混淆，限制了檢測系統(tǒng)分辨率的提高。因此，在光電檢測電路設計中，要進行綜合噪聲估算以確?？煽繖z測所必需的信噪比。 系統(tǒng)的噪聲可分為來自外部的干擾噪聲和內(nèi)部噪聲 。 內(nèi)部固有噪聲是由于系統(tǒng)各元器件中帶電微粒不規(guī)則運動的起伏所造成，它們主要是熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生一復合噪聲、 1/f噪聲和溫度噪聲等。 噪聲描述： 噪聲電壓或噪聲電流的均方根值則可用 Un,In表示 22nnUI、檢測電路的噪聲等效處理 1）熱噪聲 當溫度高于絕對零度時，器件內(nèi)部雜亂無章的自由電子的熱運動，形成起伏變化的噪聲電流。 大小與極性均在隨機地變化著，且長時間的平均值等于零。 噪聲電壓均方值取決于材料的溫度 ? ?212 4 fn fU K T R f d f? ?式中 ,K是波爾茲曼常數(shù)； T是材料的絕對溫度； R(f)表示電阻隨頻率的變化關系； Δf=f2f1是熱噪聲的頻譜分布寬度。 噪聲電流均方值： 2 4nI K T f R??1 2( 4 )nI K T f R??噪聲電壓均方值： 2 2 2 4nnU I R KT R f? ? ? ?1 2( 4 )nU K T R f??室溫下熱噪聲的有效帶寬 B＝ (kT/h)(π2/6) ＝ 噪聲功率譜密度 在頻率 f＜ 1012Hz的整個無線電頻帶內(nèi)是 平坦的，電阻熱噪聲是一種白噪聲。 溫度為 T=300K時 2）散粒噪聲 又稱散彈噪聲。元器件中有直流電流通過時，直流電流值只表征其平均值，而微觀的隨機起伏形成散彈噪聲，并疊加在直流電平上。 nUnI散粒噪聲電流均方值為： fqI2I DC2n ??q為電子電荷量； IDC為光電流平均值 。也是與頻率無關的白噪聲。 噪聲電流有效值 fqI2I DCn ??噪聲電壓 fqI2RRIU DCnn ???光電流的直流分量 Ip，也同樣引起散粒噪聲，即 fqII pnp ?? 223） 1/f噪聲 又稱閃爍噪聲，是由元器件中存在局部缺陷或有微量雜質(zhì)所引起的，在探測器、電阻、晶體管及電子管中均有這類噪聲。 1/f噪聲 ??ffIkI in??2一般取 α＝ 2 ， β＝ 1 ，有： ffIkI in?? 22噪聲功率譜集中在低頻，也稱為低頻噪聲。 4）產(chǎn)生 復合噪聲 光電導探測器因光 (或熱 )激發(fā)產(chǎn)生載流子和載流子復合 (或壽命 )這兩個隨機性過程，引起電流的隨機起伏形成產(chǎn)生 復合噪聲。 222241)/(4????ffqII en ???產(chǎn)生 復合噪聲與頻率 f有關，屬于非白噪聲。但在相對低頻的條件下，即 4π2f2τ21時，公式可簡化為 fqII en ?? )/(42 ??/ e G?? ?光電導器件的內(nèi)增益 令 載流子的平均壽命， 載流子的渡越時間 ? e?5）溫度噪聲 熱敏器件因其溫度起伏所引起的噪聲，該噪聲用溫度起伏的均方值表示： )1(42222??????Qn GfkTTk波爾茲曼常數(shù)；； T熱敏器件的絕對溫度； GQ器件的熱導。 在純電阻的簡單情況下， R與頻率無關，熱噪聲的輸出取 決于檢測電路的實際通頻帶 Δ f，此時 相應的噪聲電流均方值為 當溫度為 T＝ 300K時， ，電阻的噪聲電壓和電 流有效值變成 例如，對于室溫下的 1MΩ 電阻，如果檢測電路的放大倍數(shù)為 1，則輸出的熱噪聲電壓有效值在電路通頻帶為 Δ f＝ 30kHz時 是 V，通頻帶為 10MHz時是 400μ V，而整個白噪聲的輸出 電壓為 413mV。由此可見，檢測電路通頻帶對白噪聲輸出電壓 有很強的抑制作用。 2 2 2/ 4 /nnI U R k T f R? ? ?JkT ???1 0 1 / 24 1 . 2 9 1 0nU k T R f J R f?? ? ? ? ?1 0 1 / 21 . 2 9 1 0 /nI J f R?? ? ?2 4nU kT R f??4/ni k f R?? 簡單電阻的噪聲等效電路表示在上圖 a中，它由熱噪聲電 流源 和電阻并聯(lián)。對于由兩個電阻 和 串或并 聯(lián)組成的合成電路，可以證明，綜合噪聲電流等于合成電阻提 供的噪聲電流，并表示為 式中，在串聯(lián)情況下（如圖 b） 在并聯(lián)情況下（如圖 c） 在更為復雜的情況，應先將所有電阻合成，畫出簡化電 路，然后確定噪聲等效電流源。 2 4/nI kT f R ???21 RRRR S ????)/( 2121 RRRRRR p ????1R 2R])2(1/[)( 2f R CRfR ??? 在電阻和電容 C并聯(lián)的情況下，電容 C的頻率特性使合成阻 抗隨頻率的增加而減少，合成電阻可表示為 并聯(lián) RC電路的噪聲電壓有效值為 變換積分變量便 tgθ ＝ 2π fRC，代入上式得 在分子分母上同乘以因子 4R，則有 22004 ( ) 4 / [ 1 ( 2 ) ]nU k T R f d f k T R f R C d f???? ? ???/220( 4 / 2 ) /nU k T R R C d k T C????? ?2 4 / 4nU k T R R C?eT fk TRU ?? 42 比較可以發(fā)現(xiàn) 1/4RC和 Δ f是對應的，定義 1/4RC為噪聲等 效帶寬，并用 表示，即 上式表明，并聯(lián) RC電路對噪聲的影響相當于使電阻熱噪聲的頻 譜分布由白噪聲變窄為等效噪聲帶寬 Δ fe，它的物理意義可以 由圖 b看到，頻帶變窄后的噪聲非均勻分布曲線所包圍的圖形 面積等于以 Δ fe為帶寬， 4kTR為恒定幅值的矩形區(qū)的面積。也 就是說，用均勻等幅的等效帶寬代替了實際噪聲頻譜的不均勻 分布。這樣， 這就是阻容電路熱噪聲的一般表示式。 附帶指出，等效帶寬的概念同樣適用于 散粒噪聲的計算。 RCf e 4/1??ef? 典型光電檢測電路的噪聲估算 檢測電路噪聲估算的目的是要確定器件和電路的固有噪聲電平，計算信噪比，估算出為保證可靠檢測所必須的最小輸入光功率值。噪聲估算的具體步驟是： 首先確定檢測器件和前級電路的噪聲源； 其次計算等效電阻和復合阻抗下的噪聲等效帶寬，畫出檢測電路的噪聲等效電路； 最后根據(jù)噪聲等效電路計算噪聲輸出電壓、信噪比和最小輸入光功率值。 下面，以光電倍增管為例，介紹光電檢測電路的噪聲估算方法。 ?fMqII ANA ?? 2 光電倍增管的整管噪聲取決于光電陰極和倍增極的散粒噪 聲。陽極電流的散粒噪聲有效值表示為 式中， M是倍增系統(tǒng)放大倍數(shù)； σ 是噪聲增強因子，對靜電聚 焦型結(jié)構(gòu)， σ 在 ～ 。 倍增管檢測電路負載電阻 R上的熱噪聲電流為 因此，負載電阻上總的噪聲輸出電流為 可以證明，對大多數(shù)倍增管檢測電路，上式中的第二項熱噪聲 同第一項散粒噪聲相比是很小的。 4/nI k T f R??( 2 4 / )nAI q I M k T R f?? ? ?2nAI q I M f ???例如，在 的條件下， 關系式 就能成立，所以總的噪聲輸出電流 變成 式中，陽極電流 是暗電流 和光電流直流分量 的總和。 在檢測閾值光通量的弱光情況下，有 ＝ 0，此時的總噪 聲電流 取決于暗電流 ，有 負載電阻 R上的噪聲輸出電壓為 ???? ? 546510 10~10,10~10,10 RMAI K?MqIRkT AL 2/4 ??nIAI dI 0AI0AInmI dI2n m dI q I M f ???2n m dU R q I M f ???光電倍增管檢測電路及噪聲等效電路 a) 檢測電路 b) 噪聲等效電路 RCff e 4/1????對于負載電阻 R上有并聯(lián)電容的情況，則有 陽極輸出總信噪比 是直流光電流 與噪聲電流有效值 之比值，即 靈敏閾 是暗電流噪聲電流有效值 與陽極靈敏度之比值 比靈敏閾為 式中，對于純電阻情況下 Δ f＝ Δ F是后級放大器通頻帶。在只 有并聯(lián)電容的情況下，有 。 A為光電陰極光敏面積。 ASNR AI nIfMqIIS N R AAA ?? ?2/mins? nmIm i n / ( 1 / ) 2s n m A A dI S S q I M f?? ? ? ?* m i n / ( / ) ( 1 / ) 2 /s s n m A d AF A I S F A q I M f S F A?? ? ? ? ? ? ? ? ?RCFRCff e ?2/1,4/1 ??????