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1、第6、8、9章作业参考答案（此参考答案摘录了张露、林力、邬智翔、杨纯等同学的作业答案，特此声明）第六章1、主要的固有噪声源有哪些？产生的原因、表达式和式中各项的意义是什么？答：主要的固有噪声源有热噪声、散弹噪声、产生-复合噪声、1/f噪声和温度噪声等。下面分类叙述：（1）、热噪声。当某电阻处于环境温度高于绝对零度的条件下，内部杂乱无章的自由电子的热运动将形成起伏变化的噪声电流，其大小与极性均在随机变化着，且长时间的平均值等于零。热噪声常用噪声电流的均方值表示，如下式：式中R为所讨论元件的电阻值，k为玻尔兹曼常数，T为电阻所处环境的绝对温度，为所用测量系统的频带宽度。（2）、散弹噪声元器件中有直
2、流电流通过时微观的随机起伏（如光电倍增管光阴极的电子发射，光伏器件中穿过PN结的载流子涨落等）形成散弹噪声并叠加在直流电平上。散弹噪声的电流均方值为：式中q为电子电荷，I为流过电流的直流分量。散弹噪声与电路频率无关，是一种白噪声。（3）、产生-复合噪声（g-r噪声）光电到探测器因光（或热）激发产生载流子和载流子复合这两个随机性过程引起电流的随机起伏，形成产生-符合噪声。该噪声的电流均方值为：式中I为流过光电导器件的平均电流，为载流子的平均寿命，为载流子在光电导器件内电极间的平均漂移时间，为测量电路的带宽。产生符合噪声与频率f有关，不是白噪声。但当，即在低频条件下时，公式可简化为此时可认为它是近
3、似的白噪声。（4）1/f噪声1/f噪声又成为闪烁噪声，通常是由于元器件中存在局部缺陷或杂质而引起的。经验公式为：式中为元件固有参数，为与元器件电流有关的常数，通常取为2；为与元器件材料性质有关的系数，常取为1。1/f噪声的电流均方值与电路频率f近似成反比，因此不是白噪声。噪声功率谱集中在低频，因而又称为低频噪声。（5）温度噪声热敏器件因温度起伏引起的噪声称为温度噪声，用温度起伏的均方值表示：式中k是波尔兹曼常数，T是热敏器件的绝对温度，为器件的热导。该噪声对热敏器件的影响很大。2、在室温27C下10k的电阻，当测试系统带宽为10Hz时，计算热噪声电压和电流的均方根值。（个别同学将均方值和均方根
4、值弄混了）答：， ,3、某探测器的灵敏度为100mA/lm，敏感面积为36mm2，暗电流为10uA，当入射光照度为100lx、测试系统带宽为100Hz时，求散粒噪声的均方值。解：4、产生-复合噪声在什么条件下可视为白噪声？答：产生-复合噪声的电流均方值方程为：当，即在低频条件下时，公式可简化为此时可认为它是近似的白噪声。5、等效噪声带宽、等效噪声电阻、等效噪声温度的定义各是什么？答：等效噪声带宽是噪声量的一种等效表示形式，可定义为，式中为等效噪声带宽，为放大器或网络的相对功率增益，是放大器或网络功率增益的最大值，为等效于网络输入端的归一化噪声功率谱。等效噪声电阻是噪声量的一种等效表示形式，为了
5、计算和分析的方便，把各种不同起因不同类型的噪声用一个电阻的热噪声来等效。等效噪声温度是噪声量的一种等效表示形式，将各噪声等效为放大器输入源电阻因等效升温而附加的热噪声。6、习题6-6图放大器电路中Ri=20K，RL=1M，AV=10，T=300K，放大器产生的输出噪声电压为，试求等效噪声电阻Req及其引起的输入和输出噪声电压的均方根值。解：由，可求出50.09对应的总输入噪声为对应的总输出噪声为7、什么是放大器的噪声系数？当F=2时，等于多少？对于一个放大系统，F如何选择？答：噪声系数是输入信噪比与输出信噪比之比，可表示为。当F=2时，=10lgF=3。一个放大系统一般由多级放大器组成。各级的
6、噪声系数对总噪声系数的影响不同，越靠前的级影响越大，因此要减小系统的总噪声系数应尽力减小第一级及其后1-2级的噪声系数，同时尽可能提高它们的功率增益。8、简述晶体三极管和场效应管的噪声系数分析方法。答：（理论分析包括课本p162公式6-32 -37）晶体三极管的噪声主要包括散弹噪声、分配噪声、热噪声和1/f噪声。主要的分析方法和结论如下：（1）、半导体三极管噪声系数的频率特性呈现中央低，两头高的趋势，低频时主要是1/f噪声，高频时主要是栅极感应噪声，中间频段时主要是热噪声和发射结的散弹噪声。依工作的频段不同，可以选择不同噪声系数的管子。（2）、噪声系数与源电阻Rs的关系曲线有极小值存在，即存在
7、一源电阻值使噪声系数最小。（3）、噪声系数与三极管工作点电流的关系也呈现中央低，两头高的趋势，有一个极小值点。最佳工作点应取在极小值点附近。另外，实验表明使用中三极管的接法与噪声系数基本无关。场效应管的主要噪声是类似于电阻噪声的“沟道热噪声”，此外还有1/f噪声、散弹噪声、以及随着工作点频率f升高，栅极电容的耦合作用，由沟道热噪声反馈至栅极而形成的栅极感应噪声等。（1）、场效应管噪声系数与工作频率的关系与三极管的特性相似，也呈现中央低，两头高的趋势。低频时主要是1/f噪声，高频时主要是栅极感应噪声，中间频段时主要是白噪声性质的沟道热噪声。（2）、场效应管的噪声系数与源电阻Rs的关系与三极管不同
8、，呈单调下降趋势。当信号源为低内阻时，选用三极管更为合适。当信号为为高内阻时，宜选用场效应管。（3）、场效应管的噪声系数与温度密切相关，随温度升高噪声增加。MOS场效应管与结型场效应管的噪声特性基本相同，但MOS管是表面器件，其1/f噪声大些。9、简述检测中脉冲波形的保持和带宽之间的关系。答：电路系统的频率特性由滤波器带宽决定，如果要保持矩形脉冲波形，则要求无限宽的带宽。在实际系统中，从提高信噪比考虑，很少要求精确保持波形，而按实际需要适当牺牲高频成分，保持必要的脉冲特性。下图说明了所需保持波形和电路3dB带宽之间的关系。参量是相对脉冲持续时间。0.5时，信号峰值幅度减小；=0.5时，信号峰值
9、幅度保持，这时信噪比最大；=1时，有一点矩形波的轮廓；较正确复现波形则需要=4。10、简述鉴相器、鉴频器、相敏整流器、锁相环的工作原理。答：相敏整流器：由模拟乘法器和低通滤波器构成。模拟乘法器将输入与本地参考信号相乘，获得相差信号与倍频信号，由低通滤波器滤除倍频信号，得到与初相差相关的信号。相敏整流器输出信号大小正比于载波信号与本机振荡信号之间的相位差的余弦。鉴相器：原理如下图所示。基准信号与待测信号分别加到不同的过零检测器上，将其变换为方波。他们分别经过微分器和限幅器后，各取其上升沿形成的尖脉冲u3和u4，然后将他们送至双稳态触发器，产生脉冲u5，再经低通滤波器取其平均分量。鉴相器输出电压与
10、相位差成线性关系。鉴频器：时间平均值鉴频器的原理框图如下。输入调频波经过零检测器后变换为方波，方波的频率随调频波频率变化。当方波经微分器后，每一方波变换成一正负尖脉冲对。经线性检波器可取出正向尖脉冲或负向尖脉冲，尖脉冲数正比于调频波的频率。将尖脉冲送入低通滤波器，输出的是尖脉冲的平均值。调频波的瞬时频率越高，单位时间内尖脉冲数越多，尖脉冲的平均值就越大，所以输出电压将正比于调频波的频率。锁相环：锁相环的原理框图如下所示。当输入信号和输出信号频率不一致时，其间必有相位差。鉴相器将此相位差变换成电压，叫做误差电压。该电压通过低通滤波器，滤去高频分量后，控制压控振荡器，改变其振荡频率，使之趋向输入信
11、号的频率。在稳定的情况下输出信号和输入信号频率相同，但其间将保持一固定的相位差，该工作状态叫做锁定状态。另一种工作情况是输入信号频率在一定范围内变化，使输出信号跟随输入信号频率变化，该状态叫做跟踪状态。11、调制检测光信号有何优点？常用的调制途径、方法有哪些？答：调制检测光信号的优点主要有以下四点：（1）、减少自然光或杂散光对检测结果的影响。（2）、消除光电探测器暗电流对检测结果的影响。（3）、提供了多种形式的信号处理方案，可以通过设计达到最佳检测。（4）、提供了多种调制方案，扩大了应用范围。常用的调制途径主要有以下四点：（1）、对光源发光进行调制，这要求光源具有极小的惰性，其优点是设备简单，
12、可消除杂散光及暗电流对检测结果的影响。（2）、对光电器件产生的光电流进行调制，这种方法只对后续的交流处理有好处，不能消除杂光或器件暗电流的影响。（3）、在光电器件输出至放大器间进行光电信号的调制，这类调制方法一般又称为电路调制，通常是把直流信号电量转换为交变电量。（4）、在光源与光电器件中某一位置进行调制，这种调制方法应用非常广泛，如机械调制法、干涉调制法、双折射调制法和声光调制法等。12、简述一些常用的调制方法。答：常用的调制方法从原理上主要可分为机械调制和物理光学调制，下面分点简述。机械调制：1、调制盘。2、电磁感应。利用电磁感应原理产生作用力使某机构产生位移，一般是一挡光片，这样就能够实
13、现对光束的调制。物理光学调制：1、干涉调制。干涉调制的关键是对光程差或相位差进行调制，一种典型的调制方法是利用迈克尔逊干涉仪系统，通过压电晶体控制一块反射镜的微位移来实现对光信号的干涉调制。2、双折射调制。利用单轴晶体使垂直于光轴入射的光产生双折射，分为o光和e光两束光。两光束有恒定的相位差，经检偏器后可以产生干涉，以实现对原光束的调制。3、利用声光效应的光调制。光波在传输时被超声波衍射的现象叫做声光效应，它们之间的相互作用能够导致光束在偏振性、振幅、频率及相位上的变化，称为声光调制。13、简述一些专用调制盘的工作原理及方法。答：参考课本P182-P184相关内容第八章 习题与思考题1、光强型
14、光电检测系统的测量方法有哪些？各自的特点是什么？答：光强型光电检测系统的测量方法主要有：直接测量法，差动测量法，补偿测量法。它们的特点罗列如下：直接测量法：最大优点是简单方便，设备造价低廉。缺点是各环节误差均直接加入到总误差中。检测结果受参数、环境、电压波动等影响较大，精度和稳定性较差。同时光电检测的线性范围和测量机构限制了它的量程。差动测量法：该方法采用被测量量与标准量相比较，利用它们之间的差或比，经放大后的测量数据去控制检测机构。该方法适用于测量与标准量相差不大的变动量或偏差。当选用性能接近的光电探测器是时，杂光和外界温度影响可以基本消除；光源的电压波动或老化的影响也不会很大，但不可完全消
15、除。若使用单个探测器的差动测量，则探测器和探测器性能的变化可部分消除，光源影响仍然存在。补偿测量法：该方法将待测物理量所对应光通量产生的信号用光或电的方法将其补偿掉，补偿器所指示的补偿量代表了待测量的大小，而补偿量读数与待测量的关系应预先标定。双光路补偿法具有以下优点：可互相抵消光通量的波动及周围环境的影响；受电源电压、放大器参数和探测器特性随时间变化的影响小；不受光电探测器特性非线性的影响，在光特性弯曲的部分也可正常工作；主要缺点是结构复杂，相对造价高和调制补偿器有惯性时，不利于测量较快的变化量。2、脉冲型光电检测系统中脉冲的获取方法有哪些？答：脉冲信号的获取方法主要有以下几种：（1）、利用继电器等装置控制挡光板移动，当挡光板挡住光电探测器时输出高电平，不挡住时输出低电平，这样就能够获得脉冲信号。（2）、利用黑/白信号标记的不同反射率在扫描时产生的不同电平来获得脉冲信号。（3）、令光源发出的光通过转动圆盘上的小孔为光电接收器提供光脉冲。3、双频激光干涉测长系统的工作原理是什么？答：双频激光干涉测长系统使用的激光器是双频激光器。双频激光器利用塞曼效应，产生两个旋转方向相反的频率有微小差别的圆偏振光，且两束光仍然有较好
