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光電檢測電路ppt課件(參考版)

2025-01-17 07:53本頁面
  

【正文】 A為光電陰極光敏面積。 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(fù)載電阻 R上的噪聲輸出電壓為 ?fMqII AN ?? 2???? ? 546510 10~10,10~10,10 RMAI K?MqIRkT AL 2/4 ??NIAI dI 0AI0AINmI dI?fMqII dNm ?? 2?fMqIRU dNm ?? 2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 60 對于負(fù)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。 倍增管檢測電路負(fù)載電阻 R上的熱噪聲電流為 因此,負(fù)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。 58 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。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(fù)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。 附帶指出,等效帶寬的概念同樣適用于 散粒噪聲的計算。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。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(fù)雜的情況,應(yīng)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。對這些不同類型的元器件,在作噪聲估算時,為了計算方便,工程上常常進(jìn)行等效處理,即將各種器件的噪聲等效為相同形式的均方值(或有效值)電流源的形式,這樣便可以與其它電路器件一起以統(tǒng)一的方式建立起等效噪聲電路。若器件的通頻帶為 Δ f,它的散粒噪聲電流均方值 為 式中, q—— 電子電荷量, —— 為光電流平均值。這種由于光、電載流子形成和流動密度的漲落造成的噪聲稱作電路的 散粒噪聲 。在不同瞬間通過電路的電流密度也是不均勻的,它的電流平均值代表電路的電流值。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。因此熱噪聲的頻譜可看作是平直的,稱作 白噪聲 。噪聲電壓均方值取決于材料的溫度,并有關(guān)系 式中, k—— 波爾茲曼常數(shù), T—— 材料的絕對溫度, R(f)—— 表示電阻隨頻率的變化關(guān)系, —— 熱噪聲的頻譜分布帶寬 ?? 21)(42ffT dffRkTU12 ff ???50 在室溫下熱噪聲的有效帶寬可證明為 式中, h為普朗克常數(shù), 在室溫情況下可計算 B= 。 49 檢測電路的噪聲等效處理 輻射探測器中存在許多內(nèi)部噪聲,主要的噪聲來源是 熱噪 聲 和 散粒噪聲 。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。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。 MbmEmmQ UGgESUUU ????? )(2/0QU0bG 0bR)(2/]2)2([ 00 MbMmEb UUgUEESG ????0bR bU48 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 。若交流負(fù)載線的斜率是 + ,設(shè)交流負(fù) 載總電流峰值為 Im,則有 另一方面,在圖中的線段 MH上有 代入上式,有 負(fù)載電阻 上的輸出功率 為 式中, 是負(fù)載 上的電流峰值,有 )/( bLmm GGIU ??mLLmL UGRUI ?? /LPLRbGLGmmEm gUESI ??)/( gGGESU bLmEm ???LR2/mLL UIP ?2)]/([)2/( gGGESGP LbmELL ????LR46 將 對 求偏微分計算最大功率輸出下的負(fù)載電阻 = 1/ ,可得 可得阻抗匹配條件下負(fù)載的輸出電壓峰值 Umo、最大輸出功率有效值 和 輸出電流峰值 Imo,為 最大功率輸出條件的直流偏置電阻 和電源電壓 可用解析法計 算。 tEEe m ?s i n0 ??反向偏置光電二極管交流檢測電路及計算 a) 檢測電路 b) 圖解法 mEE ?0bR LRLRbR0EbR bU45 下面來計算負(fù)載 上的輸出電壓和輸出功率值。交流負(fù)載線與光照度 E= 對應(yīng)的伏安特性相交于 Q點,該點對應(yīng)交變輸入光照度的直流分量,是輸入直流偏置電路的靜態(tài)工作點。若在信號通頻帶范圍內(nèi),耦合電容 Cc可認(rèn)為是短路,則等效交流負(fù)載電阻是 和 的并聯(lián)。 首先確定在交流光信號作 用下電路的最佳工作狀態(tài)?,F(xiàn)以光電二極管的兩種工作狀態(tài)為例介紹它們的動態(tài)計算方法。后續(xù)電路的等效輸入阻抗將和輸入電路的直流負(fù)載電阻并聯(lián)組成檢測器的交流負(fù)載。 43 輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計算 在交變光信號輸入電路中,為提供檢測器件的正常工作條件首先要建立直流工作點。與緩慢變化光信號檢測電路的靜態(tài)計算不同,在分析和設(shè)計交變光信號檢測電路時,需要解決下述幾項動態(tài)計算問題,即: 1)確定檢測電路的動態(tài)工作狀態(tài),使在交變光信號作用下負(fù)載上能獲得非線性失真最小的電信號輸出。 ???? Lb RSUULR LRLURU bU42 二、 光電檢測電路的動態(tài)設(shè)計 在許多場合下,光電檢測電路接收到的是隨時間變化的光信號,例如瞬變信號或各種形式的調(diào)制光信號。上式表示恒壓偏置的輸出信號與光敏電阻值無關(guān),僅取決于電導(dǎo)的相對變化,這樣,檢測電路在更換光敏阻值時對電路初始狀態(tài)影響不大。這種光敏電阻上的電壓保持不變的偏置稱作恒壓偏置。為了降低電源電壓,通常采用晶體管作恒流器件來代替 。此外可以證明恒流偏置的電壓信噪比較高,因此適用于高靈敏度測量,這是它的優(yōu)點。這種電路稱作恒流偏置電路。下面討論兩種典型的工作狀態(tài)。這是一個線性電路的 計算,在建立負(fù)載線之后即可 確定對應(yīng)于輸入光通量 ~ 變化的負(fù)載電阻上的輸出信號。 阻值隨溫度改變的熱敏電阻也屬可變電阻型器件,其電阻值表達(dá)式為 式中, 為溫度 T時的電阻, 為溫度 T=0時的電阻, α 為電阻溫度系數(shù), T為溫度。此處倍數(shù) 數(shù)據(jù)。 )1( /0 ??? TL UIRp eIIILRTL URI /0負(fù)載電阻對光電池輸出電壓電流和功率的影響 0ITL UIR /37 在線性關(guān)系要求不高的情況下,可以利用圖解法簡單地得到臨界電阻 Rs值。將上式展開成冪級數(shù),忽略高階項,上式可簡化為 I≈S Φ 上式要求 1。增大負(fù)載電阻有助于提高電壓,
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