《光电探测与信号处理课件C10-光电检测电路与信号处理改》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电探测与信号处理课件C10-光电检测电路与信号处理改（103页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第第1010章章 光电检测电路光电检测电路 与信号处理与信号处理元秀华华中科技大学 光学与电子信息学院 课程主要内容四大部分：课程主要内容四大部分：理论基础理论基础光电信号光电信号变换与处理变换与处理光辐射源光辐射源光电探测器光电探测器光电系统光电系统分析设计分析设计测距测距计时计时器器放大、滤波、放大、滤波、比较比较主波主波回波回波光学信号变换光学信号变换光电信号变换光电信号变换激光脉冲测距原理示意图激光脉冲测距原理示意图电学信号变换电学信号变换光电信号变换与处理光电信号变换与处理第第1010章章 光电检测电路与信号处理光电检测电路与信号处理10.1 检测电路的带宽和频率特性检测电路的带宽和
2、频率特性10.2 光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计10.3 微弱光电信号的处理方法微弱光电信号的处理方法*有特殊要求的电学信号处理方法有特殊要求的电学信号处理方法 10.1 检测电路的带宽和频率特性检测电路的带宽和频率特性10.1.1 检测电路的基本结构和技术要求检测电路的基本结构和技术要求基本任务基本任务光电检测电路光电检测电路u偏置电路设计（静态设计）偏置电路设计（静态设计）u频率响应设计（动态设计）频率响应设计（动态设计）u噪声特性设计噪声特性设计 1. 1. 带宽的带宽的含义含义K ( f )ffLCfHC70.7%100%D Df = fHC fLC fHC10.1
3、检测电路的带宽和频率特性检测电路的带宽和频率特性10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽带宽带宽ff 太小，频率失真太小，频率失真 （波形失真）（波形失真）f 太大，噪声大太大，噪声大 （例：热噪声）（例：热噪声）电路带宽电路带宽f 根据根据信号的频谱特性信号的频谱特性来确定来确定 2. 2. 带宽带宽对信号质量的影响对信号质量的影响10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？正弦调制信号正弦调制信号: : 振幅调制振幅调制：频率调制频率调制：10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽F: 调制信号带宽3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带
4、宽带宽？例例1 1：确定调幅波检测电路的带宽确定调幅波检测电路的带宽载波频率为载波频率为f05KHz调制频率为调制频率为F100Hz电路带宽电路带宽D Df 2F 0.2 kHz10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？正弦调制信号正弦调制信号: : 脉冲波信号：脉冲波信号： 振幅调制振幅调制：频率调制频率调制：10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？脉冲波信号脉冲波信号的带宽分析的带宽分析 T Ttdtd脉冲宽度脉冲宽度3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？脉冲波信号脉冲波信号的
5、带宽分析的带宽分析 T Ttdtd脉冲宽度脉冲宽度脉冲重复频率f0 = 200kHz，脉宽td=0.5s 脉冲波频谱分析脉冲波频谱分析脉冲波频谱分析脉冲波频谱分析启动虚拟仪器启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号仿真信号3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？脉冲波信号脉冲波信号的带宽分析的带宽分析 T Ttdtd脉冲宽度脉冲宽度脉冲重复频率f0 = 200kHz，脉宽td=0.5s 脉冲波频谱动态分析脉冲波频谱动态分析启动虚拟仪器仿真信号启动虚拟仪器仿真信号需要安装需要安装LabVIEW8.63.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？脉冲波信号脉冲波信号的带宽分析的带宽分
6、析 主要频谱能主要频谱能量范围量范围3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？电路带宽增大，信号峰电路带宽增大，信号峰值功率增加值功率增加常数常数电路带宽增大，噪声功电路带宽增大，噪声功率增加率增加最佳带宽最佳带宽最佳带宽最佳带宽10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽？正弦调制信号正弦调制信号: : 脉冲波信号：脉冲波信号： td为脉冲宽度为脉冲宽度 振幅调制振幅调制：频率调制频率调制：要求信噪比高：要求信噪比高：要求脉冲形状好：要求脉冲形状好：10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽3.3.如何如何确定确定检测电路检测电路带宽带宽
7、？例例2 2：确定确定激光脉冲信号激光脉冲信号检测电路检测电路带宽带宽电路带宽电路带宽（准确保持脉冲形状）（准确保持脉冲形状）脉冲重复频率脉冲重复频率f = 200kHz脉宽脉宽td=0.5s10.1.2 检测电路的带宽检测电路的带宽10.1.3 检测电路的频率特性分析与设计检测电路的频率特性分析与设计激光脉冲重复频率激光脉冲重复频率f0 = 200kHz，脉宽，脉宽td=0.5s 电路带宽电路带宽f =3MHz信号带宽信号带宽 B=1/td=2MHz输入级电路输入级电路 前置放大器前置放大器后续放大器后续放大器6MHz6MHz6MHz10.1.3 检测电路的频率特性分析与设计检测电路的频率特
8、性分析与设计输入级电路输入级电路 光电导探测器电路光电导探测器电路两个过程两个时间常数：两个过程两个时间常数：光光电（载流子）电（载流子）电（载流子）电（载流子）电（压）电（压）固有时间常数固有时间常数电路时间常数电路时间常数10.1.3 检测电路的频率特性分析与设计检测电路的频率特性分析与设计输入级电路输入级电路 光电导探测器电路光电导探测器电路固有时间常数固有时间常数电路时间常数电路时间常数10.1.3 检测电路的频率特性分析与设计检测电路的频率特性分析与设计激光脉冲重复频率激光脉冲重复频率f0 = 200kHz，脉宽，脉宽td=0.5s 电路带宽电路带宽f =3MHz信号带宽信号带宽 B
9、=1/td=2MHz输入级电路输入级电路 前置放大器前置放大器后续放大器后续放大器6MHz6MHz6MHz第第1010章章 光电检测电路与信号处理光电检测电路与信号处理10.1 检测电路的带宽和频率特性检测电路的带宽和频率特性10.2 光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计10.3 微弱光电信号的处理方法微弱光电信号的处理方法*有特殊要求的有特殊要求的电学信号处理方法电学信号处理方法 10.2 光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计问题的提出问题的提出 提高系统信噪比途径：提高系统信噪比途径：光学方法光学方法 电学方法电学方法 热力学方法热力学方法 10.2 光电检测电路的
10、低噪声设计光电检测电路的低噪声设计直接探测系统的直接探测系统的信噪比信噪比 问题的提出问题的提出 信号光很弱信号光很弱时，探测器的输出时，探测器的输出信噪比很低信噪比很低探测器噪声探测器噪声电路噪声电路噪声“雪上加雪上加霜霜”10.2 光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计 前置前置放大器噪声放大器噪声电路电路噪声噪声1. 放大器放大器EnIn噪声模型：噪声模型： 纯电阻纯电阻信号源信号源例如：例如：低噪声放大器低噪声放大器OP27En = 3.5nV/ Hz1/2 , In = 1.7pA/ Hz1/2 10.2.1 前置放大器的噪声前置放大器的噪声仅有热噪声仅有热噪声-选择低噪声
11、放大器就行了？选择低噪声放大器就行了？1. 放大器放大器EnIn噪声模型：噪声模型： 纯电阻纯电阻信号源信号源等效输入噪声电压等效输入噪声电压信号源信号源与与放大器放大器相互作用相互作用噪声系数噪声系数 10.2.1 前置放大器的噪声前置放大器的噪声F=1， 理想的理想的无噪声无噪声放大器放大器F 1，实际的，实际的有噪声有噪声放大器放大器噪声系数噪声系数F反映了放大器的噪声使系统信噪比变坏的程反映了放大器的噪声使系统信噪比变坏的程度，是衡量放大器噪声性能好坏的重要指标。度，是衡量放大器噪声性能好坏的重要指标。 2. 噪声系数噪声系数 NF=10lgF （dB）用分贝表示：用分贝表示： 10.
12、2.1 前置放大器的噪声前置放大器的噪声n级级联放大电路级级联放大电路噪声系数：噪声系数： KP1很大时，很大时，F F1前置放大器的噪声贡献前置放大器的噪声贡献例例1：光电倍增管和雪崩光电二极管：光电倍增管和雪崩光电二极管 高内增益高内增益 例例2：光电二极管：光电二极管 无内增益无内增益 2. 噪声系数噪声系数 最佳源电阻最佳源电阻 噪声系数最小噪声系数最小10.2.1 前置放大器的噪声前置放大器的噪声3. 最佳源电阻最佳源电阻10.2.1 前置放大器的噪声前置放大器的噪声3. 最佳源电阻最佳源电阻10.2.1 前置放大器的噪声前置放大器的噪声例如：例如：OP27En = 3.5nV/ H
13、z1/2 , In = 1.7pA/ Hz1/2 Rsopt？3. 最佳源电阻最佳源电阻10.2.1 前置放大器的噪声前置放大器的噪声3. 最佳源电阻最佳源电阻当信号源的内阻等于放大器的最佳源电阻值时，放大器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。达到了噪声匹配。 10.2.1 前置放大器的噪声前置放大器的噪声噪声匹配举例：噪声匹配举例：例：例： 热电偶；热电偶； 热释电探测器；反偏光电二级管热释电探测器；反偏光电二级管-常用器件最佳源电阻分布示意图 10.2.1 前置放大器
14、的噪声前置放大器的噪声光电检测电路的噪声匹配光电检测电路的噪声匹配 -两个两个值得讨论的问题值得讨论的问题1. 探测器信号源探测器信号源2. 偏置电路噪声偏置电路噪声 纯电阻纯电阻 信号源信号源探测器探测器信号源信号源仅有热噪声仅有热噪声热噪声热噪声其他噪声其他噪声1. 探测器信号源探测器信号源2. 偏置电路噪声偏置电路噪声检测电路：检测电路：-探测器噪声探测器噪声-前置放大器前置放大器噪声噪声-偏置电路噪声偏置电路噪声10.2 光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计10.2.1 前置放大器的噪声前置放大器的噪声10.2.2 光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声10.2.3 光电检测
15、电路的噪声估算光电检测电路的噪声估算10.2.2光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声 纯电阻纯电阻 信号源信号源探测器探测器信号源信号源仅有热噪声仅有热噪声热噪声热噪声其他噪声其他噪声探测器探测器信号源信号源热噪声热噪声其他噪声其他噪声工程允许工程允许表达式推导：表达式推导：10.2.2光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声噪声匹配举例噪声匹配举例例：例： 热电偶；热电偶； 热释电探测器；反偏光电二级管热释电探测器；反偏光电二级管10.2.2光电检测电路的噪声光电检测电路的噪声10.2 光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计10.2.1 前置放大器的噪声前置放大器的噪声10.2.2 光
16、电检测电路的噪声光电检测电路的噪声10.2.3 光电检测电路的噪声估算光电检测电路的噪声估算10.2.3 光电检测电路的噪声估算光电检测电路的噪声估算例：强度调制直接探测光纤通信系统例：强度调制直接探测光纤通信系统 光纤尾端光纤尾端 5 5W W电流信噪比大于电流信噪比大于1212噪声估算噪声估算10.2.3光电检测电路的噪声估算光电检测电路的噪声估算等效噪声带宽 白噪声并联并联RC电路：电路： 等效噪声带宽 信号带宽 噪声估算举例：噪声估算举例：噪声等效电路图噪声等效电路图 10.2.3光电检测电路的噪声估算光电检测电路的噪声估算噪声估算举例：噪声估算举例：根据噪声等效电路图根据噪声等效电路图 等效噪声带宽等效噪声带宽 10.2.3 光电检测电路的噪声估算光电检测电路的噪声估算第第1010章章 光电检测电路与信号处理光电检测电路与信号处理10.1 检测电路的带宽和频率特性检测电路的带宽和频率特性10.2 光电检测电路的低噪声设计光电检测电路的低噪声设计10.3 微弱光电信号的处理方法微弱光电信号的处理方法*有特殊要求的电学信号处理方法有特殊要求的电学信号处理方法 10.3 微弱光电信
