直接探测和外差探测讲稿.ppt
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1、关于直接探测和外差探测第一页,讲稿共九十七页哦光电信号变换光电信号变换 光电光电 探测器探测器光信号光信号电信号电信号响应平均光功率响应平均光功率 直接探测直接探测响应光的频率响应光的频率 相干探测相干探测第二页,讲稿共九十七页哦(1)(1)基本物理过程:基本物理过程:若探测器的负载电阻是若探测器的负载电阻是R RL L,则光电探测器的输出功率为,则光电探测器的输出功率为光波:光波:光功率:光功率:1.直接探测的基本原理直接探测的基本原理平方定律:平方定律:第三页,讲稿共九十七页哦(2)信噪比信噪比 设输入的信号功率和噪声功率分别为设输入的信号功率和噪声功率分别为s si i和和n ni i,
2、输出的分,输出的分别为别为s so o和和n no o。由平方律有。由平方律有考虑到信号和噪声的独立性,可得输出信噪比为考虑到信号和噪声的独立性,可得输出信噪比为讨论:讨论:(1 1)s si i/n/ni i1 1,则有,则有 ,说明直接探测不适合微弱信号的探,说明直接探测不适合微弱信号的探测;测;(2 2)s si i/n/ni i1 1,则有,则有 ,转换后信噪比损失不大;,转换后信噪比损失不大;第四页,讲稿共九十七页哦5(3)等效噪声功率等效噪声功率 具有内增益的光电探测器的电输出功率为具有内增益的光电探测器的电输出功率为输出的噪声功率为输出的噪声功率为信号光电流:信号光电流:背景光电
3、流:背景光电流:暗电流:暗电流:电阻温度噪电阻温度噪声电流声电流:对于光电二极管,对于光电二极管,M=1M=1,对于光电导探,对于光电导探测器前面的测器前面的2 2改为改为4.4.输出信噪比为输出信噪比为探测器的噪声等效功率为探测器的噪声等效功率为第五页,讲稿共九十七页哦6讨论:讨论:(1 1)热噪声优势)热噪声优势(2 2)散粒噪声优势)散粒噪声优势(3 3)散粒噪声和热噪声相当)散粒噪声和热噪声相当(4 4)信号噪声极限,只考虑光信号噪声。)信号噪声极限,只考虑光信号噪声。例:例:为为1,f为为1Hz,NEP2h,已很接近单个光子的能量,已很接近单个光子的能量h。光电二极管光电二极管光电倍
4、增管光电倍增管雪崩光电二极管雪崩光电二极管第六页,讲稿共九十七页哦提高系统信噪比的基本途径:提高系统信噪比的基本途径:光学方法光学方法,如场镜、光锥、浸没透镜如场镜、光锥、浸没透镜 应用光学应用光学电学方法电学方法,如滤波、低噪声放大、弱信如滤波、低噪声放大、弱信 号检测号检测热力学方法热力学方法,制冷降低探测器噪声制冷降低探测器噪声 信噪比信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标 第七页,讲稿共九十七页哦82.2.直接探测的应用举例直接探测的应用举例激光制导、飞行物自动跟踪激光稳频、机器人视觉几何量(长度、位移)表面形状参量(工件粗糙度、伤痕)光
5、学参量(吸收、反射)电磁量(电流、电场、磁场)应用于测量:应用于测量:应用于控制:应用于控制:特点:特点:信息加载信息加载辐通量(光强)辐通量(光强)第八页,讲稿共九十七页哦93.3 前置前置放大放大器的噪声匹配器的噪声匹配 当光信号功率较小时,光电探测器的电信号输出也相应地减小。为了信当光信号功率较小时,光电探测器的电信号输出也相应地减小。为了信号处理、显示的需要,往往需要跟随前置放大器。放大器的引入对探测系统号处理、显示的需要,往往需要跟随前置放大器。放大器的引入对探测系统的输出信噪比将产生影响。的输出信噪比将产生影响。光探测器及光探测器及其偏置电路其偏置电路耦合耦合网络网络低噪声低噪声前
6、置放大前置放大器器多级放大多级放大系统系统反馈电路反馈电路放大器放大器偏置电路偏置电路后级信号后级信号处理电路处理电路光探测电路示意图光探测电路示意图第九页,讲稿共九十七页哦10Vs信号源,信号源,RS信号源内阻,信号源内阻,EnsRS的热噪声的热噪声En放大器噪声电压源,放大器噪声电压源,In放大器噪声电流源,放大器噪声电流源,Av放大放大器电压增益,器电压增益,Zi放大器的输入阻抗,放大器的输入阻抗,Eni放大器输入放大器输入端的噪声电压,端的噪声电压,Eso放大器的输出端电压,放大器的输出端电压,Eno放大器放大器输出端的总噪声电压输出端的总噪声电压EsoEno3.3.1 前放噪声等效电
7、路前放噪声等效电路根据电路根据电路叠加原理叠加原理,各噪声源在输出端的贡献分别为:,各噪声源在输出端的贡献分别为:Ens的贡献为:的贡献为:En的贡献为:的贡献为:In的贡献为:的贡献为:E Ensns的贡献的贡献的贡献的贡献E En n的贡献的贡献的贡献的贡献I In n的贡献的贡献的贡献的贡献第十页,讲稿共九十七页哦11将上述各项均方相加便得总的输出噪声为:将上述各项均方相加便得总的输出噪声为:因此等效输入噪声为:因此等效输入噪声为:放大器的电压传递函数放大器的电压传递函数(考虑源在内的系统增益,注意和(考虑源在内的系统增益,注意和(考虑源在内的系统增益,注意和(考虑源在内的系统增益,注意
8、和A Av v的区别!)的区别!)的区别!)的区别!)放大器的功率传递函数放大器的功率传递函数可以看出,可以看出,放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达式中放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达式中。放大。放大器便视为是器便视为是无噪声无噪声的。的。第十一页,讲稿共九十七页哦12这个模型中所采用的各个参数容易测量。首先,源电阻这个模型中所采用的各个参数容易测量。首先,源电阻Rs的热噪声的热噪声Ens,可以由电阻的热噪声公式求出;其次计算放大器前的电路的,可以由电阻的热噪声公式求出;其次计算放大器前的电路的开路输出开路输出噪声电压噪声电压(或短路输出噪声电流或短路输出噪声电流);然后折合
9、到源端位置就得到等效输入然后折合到源端位置就得到等效输入噪声电压噪声电压Eni的大小。的大小。放大器的输入信噪比为:放大器的输入信噪比为:放大器的输出信噪比为:放大器的输出信噪比为:放大器噪声的存在,使放大器的输出信噪比受到损失。放大器噪声的存在,使放大器的输出信噪比受到损失。第十二页,讲稿共九十七页哦132.噪声系数(噪声系数(Noise Factor):):输出端总噪声功率输出端总噪声功率 源电阻产生的输出噪声功率源电阻产生的输出噪声功率F=即Kp为放大器系统的功率增益为放大器系统的功率增益(1)基本定义)基本定义从输出端角从输出端角度出发度出发第十三页,讲稿共九十七页哦14(2)推导式一
10、)推导式一总的等效输入噪声功率总的等效输入噪声功率输入端源电阻噪声功率输入端源电阻噪声功率F=上下同除以上下同除以Kp,即即放大器噪声总是存在,放大器噪声总是存在,F大于大于1的原因的原因从输入端角从输入端角从输入端角从输入端角度出发度出发度出发度出发从输入端角从输入端角从输入端角从输入端角度出发度出发度出发度出发第十四页,讲稿共九十七页哦15(3)推导式二)推导式二放大器输入噪声功率放大器输入噪声功率输入端源电阻噪声功率输入端源电阻噪声功率F=1+第十五页,讲稿共九十七页哦16(4)推导式三)推导式三输入端信噪比输入端信噪比输出端信噪比输出端信噪比F=不为不为Eni,此时输入端噪声功率仅为,
11、此时输入端噪声功率仅为源电阻产生的热噪声功率源电阻产生的热噪声功率用分贝表示则写成:用分贝表示则写成:第十六页,讲稿共九十七页哦17 放大器的噪声系数的定义表示信号通过放大器后,信噪比变坏的程度放大器的噪声系数的定义表示信号通过放大器后,信噪比变坏的程度:如如果果放放大大器器是是理理想想的的无无噪噪声声的的线线性性网网络络,那那么么其其输输入入端端的的信信号号与与噪噪声声得得到到同同样样的的放放大大,即即输输出出端端的的信信噪噪比比与与输输入入端端的的信信噪噪比比相相同同,于于是是F=1或或NF=0dB;如果如果放大器本身有噪声放大器本身有噪声,又,又无滤波功能无滤波功能(如前放一般不采取带限
12、措施如前放一般不采取带限措施),信号通过放大器后,则信号和噪声都同样放大,则输出噪声功率等于,信号通过放大器后,则信号和噪声都同样放大,则输出噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和。对这样的放大器,放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和。对这样的放大器,信号经放大后,信噪比不可能变好,输出端的信噪比就比输入端的信噪信号经放大后,信噪比不可能变好,输出端的信噪比就比输入端的信噪比低,则比低,则F1。噪声系数意义:噪声系数意义:第十七页,讲稿共九十七页哦18 求偏导求偏导:得:得:因因此此,当当信信号号源源的的内内阻阻等等于于放放大大器器的的源源电电阻阻时时噪噪声声系系
13、数数NF取得最小值取得最小值 与功率匹配区与功率匹配区别!别!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达到了噪声匹配。这是低噪声设加的噪声最小,称为信号源与放大器之间达到了噪声匹配。这是低噪声设计的一个重要原则。计的一个重要原则。称称称称此此此此时时时时的的的的源源源源电电电电阻阻阻阻为为为为放放放放大大大大器器器器的的的的最最最最佳佳佳佳源源源源电电电电阻阻阻阻,记记为为R Ro op pt t 当当R Rs s=R Ro op pt t时时,可可使使放放大大器器的的噪噪声声系
14、系数数为为最最小小,这这时时源源电电阻阻和和放放大大器器的的配配置置称称为为“噪噪噪噪声声声声匹匹匹匹配配配配”,这这是是低低噪噪声声设设计计的的一一个个重重要要原原则则。3.3.3 匹配方法匹配方法1.最佳源电阻最佳源电阻第十八页,讲稿共九十七页哦19第十九页,讲稿共九十七页哦202.放大器最佳源电阻与实际源阻抗的匹配方法放大器最佳源电阻与实际源阻抗的匹配方法1、用输入变压器实现噪声匹配、用输入变压器实现噪声匹配(1)应用对象:信号源电阻小于最佳源电阻情形下。)应用对象:信号源电阻小于最佳源电阻情形下。(2)原理:)原理:选用适当变压比选用适当变压比源电阻的阻抗升高源电阻的阻抗升高n2倍。倍
15、。第二十页,讲稿共九十七页哦212、利用并联放大器的方法实现噪声匹配、利用并联放大器的方法实现噪声匹配 N个完全相同的放大器并联,如下图所示,个完全相同的放大器并联,如下图所示,该方法等效于减小该方法等效于减小并联以后的等效噪声电压和电流并联以后的等效噪声电压和电流并联后的噪声系数并联后的噪声系数结论,多管并联可减小最佳源电阻,但不会影响并联后的噪声系数。结论,多管并联可减小最佳源电阻,但不会影响并联后的噪声系数。第二十一页,讲稿共九十七页哦22 各种典型探测器的内阻和响应时间各种典型探测器的内阻和响应时间 探测器探测器内阻(内阻()响应时间(响应时间(s)低低阻阻热电偶11010-21蒸发型
16、热电偶5020010-310-2金属测辐射热计11010-210-1PIN型锗二极管5010-7HgCdTe(PV 77K)2.55010-8HgCdTe(PC 77K)205010-810-7中中阻阻锗测辐射热计(2.1K)104410-4碳测辐射热计(2.1K)10510610-2PbS(PC 常温)105107510-5510-4PbSe(PC 常温)106107210-6InSb(PV 77K)10310510-6高高阻阻Ge:Au(PC 77K)10510710-6热释电探测器108310-9410-5第二十二页,讲稿共九十七页哦23习习 题题(1)最最佳佳源源电电阻阻是是信信号号源
17、源的的参参数数,还还是是前前放放的的参参数数。它它的的表表达式是什么?式中各项代表什么?什么是噪声匹配。达式是什么?式中各项代表什么?什么是噪声匹配。(2)已已知知集集成成运运算算OP07E的的噪噪声声参参数数En10.3nV,In0.32pA,试试计计算算应应用用于于Rs100k,f1Hz及及T300k时时,其其NF及及Eni值值(3)根据下列条件判断那一种器件产生的等效输入噪声最小:)根据下列条件判断那一种器件产生的等效输入噪声最小:a在在Rs10k时,测出其时,测出其NF20dB。b在在Rs1M时,测出其时,测出其NF20dB。第二十三页,讲稿共九十七页哦24二二.多级放大器噪声系数多级
18、放大器噪声系数NFPni 三级放大器的噪声系数三级放大器的噪声系数KP1Pn1F1KP2Pn2F2KP3Pn3F3PnoF1,2,3总的输出噪声功率总的输出噪声功率Pno为为总的输出噪声系数总的输出噪声系数F为为第二十四页,讲稿共九十七页哦25考虑第一级放大器单独和源相连接时,得到噪声功率和噪声系数为:考虑第一级放大器单独和源相连接时,得到噪声功率和噪声系数为:考虑每个放大器单独和源相连接时,得到:考虑每个放大器单独和源相连接时,得到:代入代入第二十五页,讲稿共九十七页哦26对于对于n级放大器,可以得出其噪声系数为:级放大器,可以得出其噪声系数为:这就是多级放大器的噪声系数理论的这就是多级放大
19、器的噪声系数理论的Friis公式公式 从这个公式可以看出:从这个公式可以看出:如果第一级的功率增益如果第一级的功率增益Kp1很大,则多级放大器噪声系数的大小,主很大,则多级放大器噪声系数的大小,主要取决于要取决于第一级放大器第一级放大器的噪声系数的噪声系数F1。设计中,为了使多级放大器设计中,为了使多级放大器的噪声系数减小,应尽量的噪声系数减小,应尽量提高第一级的功率放大倍数提高第一级的功率放大倍数Kp1;尽量减;尽量减小第一级的噪声系数小第一级的噪声系数,这就是指导我们设计低噪声前放的又一个重要,这就是指导我们设计低噪声前放的又一个重要原则。原则。如果第一级的功率增益不是很大如果第一级的功率
20、增益不是很大,减小噪声系数的关键在于使本级,减小噪声系数的关键在于使本级具有高增益和低噪声。具有高增益和低噪声。第二十六页,讲稿共九十七页哦27总 结 放大器的噪声模型:放大器的噪声模型:等效输入噪声:等效输入噪声:噪声系数:噪声系数:噪声匹配噪声匹配最佳源电阻最佳源电阻FriisFriis公式公式 与探测器直接相连接的放大器必须是低噪声的。与探测器直接相连接的放大器必须是低噪声的。第二十七页,讲稿共九十七页哦283.5相关检测相关检测 利利用用信信号号在在时时间间上上相相关关这这一一特特性性,可可能能把把深深埋埋于于噪噪声声信信号号中中的的周周期期信信号号提提取取出出来来,这这种种提提取取方
21、方法法称称为为相相关关检检测测或或相关接收相关接收。信信号号的的相相关关性性用用相相关关函函数数来来描描述述,它它代代表表线线性性相相关关的的度度量量,是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要统计参量。是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要统计参量。第二十八页,讲稿共九十七页哦291.相关函数相关函数3.5.1 相关原理相关原理相关函数分为相关函数分为自相关函数自相关函数和和互相关函数互相关函数。1)自相关函数)自相关函数为延迟时间,为延迟时间,T为观察时间,为观察时间,x(t)是随机过程的一个样本函数。是随机过程的一个样本函数。根据根据Wiener-khintchine(维纳欣钦维纳欣钦)
22、定理:定理:傅里叶变换傅里叶变换 式中式中Sx()是是x(t)的功率谱密度函数。的功率谱密度函数。第二十九页,讲稿共九十七页哦30(1)正弦波:正弦波:根据定义式根据定义式,可得可得:由此可见,周期信号的自相关函数仍为周期信号,且周期不由此可见,周期信号的自相关函数仍为周期信号,且周期不变,但相位信息损失。变,但相位信息损失。第三十页,讲稿共九十七页哦31(2)白噪声)白噪声 其功率谱密度与频率无关,为一常数其功率谱密度与频率无关,为一常数 根根据据Wiener-khinthine定定理理,白白噪噪声声的的自自相相关关函函数数 这就说明白噪声的自相关函数只在这就说明白噪声的自相关函数只在=0时
23、存在,随时存在,随着着的增大,衰减很快。的增大,衰减很快。第三十一页,讲稿共九十七页哦32(3)带通白噪声)带通白噪声 实实际际的的白白噪噪声声是是在在一一定定带带宽宽之之内内的的白白噪噪声声,其其功功率率谱密度为:谱密度为:这种带通白噪声的带宽决定于系统中的通频带。这种带通白噪声的带宽决定于系统中的通频带。第三十二页,讲稿共九十七页哦33第三十三页,讲稿共九十七页哦34 Rxx()Rxx(),即,即Rxx()为为的偶函数。的偶函数。Rxx(0)Rxx(),Rxx(0)是最大值,并且代表是最大值,并且代表x(t)变化量的平变化量的平均功率。均功率。如果如果x(t)是周期函数,则是周期函数,则R
24、xx()也是周期函数,且周期相等,也是周期函数,且周期相等,但失去原函数全部相位信息。但失去原函数全部相位信息。如果如果x(t)是非周期函数,则是非周期函数,则Rxx()从从Rxx(0)最大值迅速随最大值迅速随 增大增大单调递减单调递减。(4)自相关函数特点自相关函数特点第三十四页,讲稿共九十七页哦352)互相关函数)互相关函数互相关函数特点互相关函数特点 Rxy()Ryx(),即,即Rxy()与与Ryx()互为镜像对称。互为镜像对称。如果两个信号或随机过程互相完全没有关系,(例如信号与噪声)如果两个信号或随机过程互相完全没有关系,(例如信号与噪声)则其互相关函数将为一个常数,并且等于两个信号
25、平均值的乘积;则其互相关函数将为一个常数,并且等于两个信号平均值的乘积;若其中一个(如噪声)的平均值为零,则它们的互相关函数若其中一个(如噪声)的平均值为零,则它们的互相关函数 Rxy()将处处为零,即完全不相关。将处处为零,即完全不相关。如果两个信号是具有相同基波频率的周期函数,则它们的互相关如果两个信号是具有相同基波频率的周期函数,则它们的互相关函数将保存它们基波频率以及两者所共有的谐波成分,而相位则函数将保存它们基波频率以及两者所共有的谐波成分,而相位则为两个原信号相应频率成份的相位差。为两个原信号相应频率成份的相位差。自相关函数是互相关函数的一个特例。自相关函数是互相关函数的一个特例。
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