光电信号检测与处理技术放大器的噪声放大器的噪声1 1放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声本节主要内容本节主要内容n n1. 放大器放大器EnIn噪声模型噪声模型n n2.放大器的放大器的 Eni（等效输入噪声）（等效输入噪声）n n3. 噪声系数噪声系数n n4. 最佳源电阻最佳源电阻2 2放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声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 3 3放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声光电检测电路的低噪声设计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探测器噪声噪声电路电路噪声噪声“雪上加雪上加霜霜”4 4放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声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5 5放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声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 1前置放大器的噪声前置放大器的噪声仅有仅有热噪声热噪声-选择低噪声放大器选择低噪声放大器就行了就行了？6 6放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声2. E2. Ensns 、E En n、I In n与与与与E Enini（等效输入噪声）的关系（等效输入噪声）的关系（等效输入噪声）的关系（等效输入噪声）的关系n nEns的的的的贡贡献献为为： 7 7放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声2. E2. Ensns 、E En n、I In n与与与与E Enini（等效输入噪声）的关系（等效输入噪声）的关系（等效输入噪声）的关系（等效输入噪声）的关系n nEn的的的的贡贡献献为为： 8 8放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声E Ensns 、E En n、I In n与与与与E Enini（等效输入噪声）的关系（等效输入噪声）的关系（等效输入噪声）的关系（等效输入噪声）的关系n nIn的的的的贡贡献献为为： 9 9放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声E Ensns 、E En n、I In n与与与与E Enini（等效输入噪声）的关系（等效输入噪声）的关系（等效输入噪声）的关系（等效输入噪声）的关系n n均方值相加便得到总的输出噪声为均方值相加便得到总的输出噪声为 1010放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声n n当信号源为当信号源为Usi，输出，输出信号为：信号为：n因此，等效输入噪声就是：因此，等效输入噪声就是：1111放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声 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等效输入噪声电压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 前置放大器的噪声前置放大器的噪声1212放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声广泛采用广泛采用广泛采用广泛采用E En nI In n噪声模型的原因噪声模型的原因噪声模型的原因噪声模型的原因n n基于四端网络理论，简化分析基于四端网络理论，简化分析; ;n n模型所采用的各个参数容易测量模型所采用的各个参数容易测量; ; *源电阻源电阻Rs的热噪声的热噪声Ens *Rs=0的条件下，测量放大器的总输出噪声，可求的条件下，测量放大器的总输出噪声，可求得得 En*在已知在已知En、Ens的条件下，再进行一次测量，即可的条件下，再进行一次测量，即可求出求出In1313放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声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。的程度，是衡量放大器噪声性能好坏的重要指标。 3. 噪声系数噪声系数 NF=10lgF （dB）用分贝表示：用分贝表示： 前置放大器的噪声前置放大器的噪声1414放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声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 3. 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1515放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声4. 最佳源电阻最佳源电阻前置放大器的噪声前置放大器的噪声1616放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声4. 最佳源电阻最佳源电阻前置放大器的噪声前置放大器的噪声1717放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声例如：例如：OP27En = 3.5nV/ Hz1/2 , In = 1.7pA/ Hz1/2 Rsopt？4. 最佳源电阻最佳源电阻前置放大器的噪声前置放大器的噪声1818放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声4. 最佳源电阻最佳源电阻当当信号源的内阻信号源的内阻等于等于放大器的最佳源电阻值放大器的最佳源电阻值时，放时，放大器对检测电路附加的大器对检测电路附加的噪声最小噪声最小，称为信号源与放，称为信号源与放大器之间达到了大器之间达到了噪声匹配。噪声匹配。 前置放大器的噪声前置放大器的噪声1919放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声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； 光电池等（信号源电阻较小）光电池等（信号源电阻较小）-常用器件最佳源电阻分布示意图 前置放大器的噪声前置放大器的噪声例：例： 热电阻、光电二极管（信号源电阻较大）热电阻、光电二极管（信号源电阻较大）2020放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声放大器的噪声