光电子技术第11章

Rs =∞
≈ I n 2 Rs 2
具体实验步骤： 具体实验步骤： u 放大器输入端短路， ⑴放大器输入端短路，即 Rs = 0, u0 = An En ,∴ En = 0 An ⑵取一个很大的电阻作为源电路 u0 = kn I n Rs I n = u0 / kn Rs 结论：理论上， 结论：理论上，用En-In模型对放大器的噪声性能进行分析 实践中，是选用低噪声放大器的重要依据。 实践中，是选用低噪声放大器的重要依据。
第十一章 光电信号处理方法
2.等效输入噪声 2.等效输入噪声 以上模型中，系统的噪声源可以归结为： 以上模型中，系统的噪声源可以归结为：En,I2n,Et 2 2 ( En + Et ) Z i I n 2 Z i 2 RS 2 2 它们在放大器输入端产生的噪声电压： 它们在放大器输入端产生的噪声电压： i = E + 2 2
第十一章 光电信号处理方法
④低噪声场效应管放大器应具备的四个条件： 低噪声场效应管放大器应具备的四个条件： Vgs 2 I DSS (1 − ) a.尽量选用 尽量选用g a.尽量选用gn高的管子 Q g m = −
VP VP ∴ g m ↑, VP ↓, Vgs → 0
输出阻抗高 b.工作频率不高时， b.工作频率不高时， ↓⇒ 输出阻抗高 工作频率不高时 f 1/ f噪声低
第十一章 光电信号处理方法
光电信号处理的主要目的：最大限度地抑制噪声， 光电信号处理的主要目的：最大限度地抑制噪声，提取信号 携带的有用信息。 携带的有用信息。
11§11-1前置放大器
作用： 作用： 放大探测器的输出信号； ①放大探测器的输出信号； 变换它的输出阻抗； ②变换它的输出阻抗； 改善分路电容效应以展宽探测器的频带。 ③改善分路电容效应以展宽探测器的频带。 要求：低噪声、高增益、低输出阻抗、大动态范围； 要求：低噪声、高增益、低输出阻抗、大动态范围； 良好的线性特性；较好的抗颤噪声能力。 良好的线性特性；较好的抗颤噪声能力。 一、放大器噪声的评价方法
第十一章 光电信号处理方法
Eng：噪声发生器串联接入电路 ①测量准确度主要取决于噪声发生器的校准 在测量带宽上有均匀噪声。 ②在测量带宽上有均匀噪声。 步骤： 步骤： 第一次测量：噪声发生器未接入时，得到总输出噪声E 第一次测量：噪声发生器未接入时，得到总输出噪声Eno1 E no12 = K t 2 E ni 2
2 2
2
相关系数： 相关系数：
C = y11 Ro
以上五个公式是共源场效应管电路噪声特性的基本关系式。 以上五个公式是共源场效应管电路噪声特性的基本关系式。 讨论： 如果偏置元件的噪声可忽略， 组成。 讨论：①如果偏置元件的噪声可忽略，En由If和It组成。 此时各个噪声源时噪声电流I 都有作用。 ②此时各个噪声源时噪声电流 n都有作用。 由于y 小得多， 的主要成分是I 散粒噪声 散粒噪声)。 ③由于 11比y21小得多，In的主要成分是 g(散粒噪声 。
2
Vs Z i Au 其中： 其中： Kt = V0 = Rs + Z i = Au Z i Vs Vs Rs + Z i
En 0 = 2 Kt
E 此处， 源电阻的热噪声： 此处， t : 源电阻的热噪声：Et = 4kTRs ∆f
∴ EnΦ 2 = Et 2 + En 2 + I n 2 Rs 2
第十一章 光电信号处理方法
正弦波发生器U 串联，测量输出电压U 正弦波发生器Us,Zs串联，测量输出电压Uo 和输入电阻，源阻抗有关） Kt=Uo/Us （和输入电阻，源阻抗有关） 求出E ③求出Eni ⑵正弦波法噪声测试系统的组成 见图11 11见图11-6
系统仪器的组成 287,共 见p 287,共9条， 自学。 自学。 2.噪声发生器法 2.噪声发生器法 ⑴测量原理 噪声发生器法测量原理
采用共源或共栅电路 c.工作频率高时 工作频率高时， c.工作频率高时， f ↑⇒ 栅极电流要小 极间电容要低
d.场效应管： d.场效应管：R大，∴适合做高阻抗低噪声放大器 场效应管
第十一章 光电信号处理方法
2.场效应管和晶体管噪声特性的比较 2.场效应管和晶体管噪声特性的比较 低频时和中频时，噪声系数比晶体管小，高频时相当， ⑴低频时和中频时，噪声系数比晶体管小，高频时相当， 场效应管的频率特性好。 ∴场效应管的频率特性好。 在各个频段上， ⑵Ro：在各个频段上，场效应管比晶体管高得多 ∴晶体只适应于做低阻抗低噪声放大器 场效应管适合于 高阻抗 也适合于低阻抗情况 三、噪声的测量 目的： 目的：测Eni 主要方法：正弦波法，噪声发生器法。 主要方法：正弦波法，噪声发生器法。
第十一章 光电信号处理方法
讨论：1.在源热噪声的基础上尽可能减少其它噪声； 讨论：1.在源热噪声的基础上尽可能减少其它噪声； 在源热噪声的基础上尽可能减少其它噪声 但并不能说明放大器性能好。 2.Rs 大时, Et 大, F ↓ ，但并不能说明放大器性能好。 5.噪声匹配 5.噪声匹配 是对放大器引起信噪比恶化程度的量度。 F是对放大器引起信噪比恶化程度的量度。 ⇒ F=1，最佳，说明放大器的等效输入噪声， F=1，最佳，说明放大器的等效输入噪声， 源电阻的热噪 我们把此时的电阻称为最佳源电阻R 声，我们把此时的电阻称为最佳源电阻Ro En 2 I n 2 Rs dF ∂ 求法： 求法： = [1 + + ]=0 En dRs ∂Rs 4kTRs ∆f 4kT ∆f 得： Ro = Rs = In 此时： 此时： EI
Io Io AIv K t = AIus = = = V1 (1 + y11 Rs )V1 1 + y11 Rs
Io y21V1 = y21 = AIu = V1 V1
第十一章 光电信号处理方法
QVl = Vs ⋅ 1/ y11 1 Vs = 1/ g s + 1/ y11 1 + y11 Rs 1 + y11 Rs y21
( RS + Z i ) ( RS + Z i )
( En 2 + Et 2 ) Z i 2 I n 2 Z i 2 RS 2 总的噪声输出电压： 总的噪声输出电压： En 0 2 = An 2 Ei 2 = An 2 [ + ] 2 2 ( RS + Zi ) ( RS + Z i ) 2
E 等效输入噪声： 等效输入噪声： ni
2
第十一章 光电信号处理方法
噪声系数： 噪声系数： F = Vni 2 = 1 + I g 2 Vns 最佳源电阻： 最佳源电阻：
En Ro = = In ( Ig It 2 + I f 2
2
I f 2 + I t 2 1 + y11 Rs Rs + 4kT ∆f 4kTRs ∆f y21
1 y21 + y11 )1/ 2
第十一章 光电信号处理方法
1.正弦波法 1.正弦波法 ⑴测试原理 串联于放大器输入端, Vs，Eni串联于放大器输入端, 它们具有相同的电压传递函数 测量步骤： 测量步骤： 测量总输出E ①测量总输出Eno 去掉信号发生器，保留有源阻抗Z 去掉信号发生器，保留有源阻抗Zs 用均方根电压表测E 用均方根电压表测Eno，带宽是噪声带宽的四倍 平均值电压表时，结果×1.13 平均值电压表时， ②测量电压传输函数 Kt=Uo/Us
第十一章 光电信号处理方法
如果将噪声加入，得到下图的Y 如果将噪声加入，得到下图的Y参数噪声模型 其中 ：
I n1 = I g 2 :
栅极电流散粒噪声 I n 2 = It 2 + I f 2 : 经推导： 经推导： 放大倍数： 放大倍数：
Vn12 = Vns 2 + I g 2 Rs 2 + ( I t 2 + I f 2 ) / K t 2
第十一章 光电信号处理方法
3.En和In的测量 依据等效输入噪声: 依据等效输入噪声: Eni 2 = Et 2 + En 2 + I n 2 Rs 2
当Rs = 0时, Et = I n 2 Rs 2 = 0 当Rs = ∞时, I n 2 Rs 2占主导, Eni 2 ∴ Eni 2 = En 2
2
∴Vs = (1 + y11 Rs )V1 ∴Vni 2 = Vns 2 + I g 2 Rs 2 + ( I t 2 + I f 2 )
利用此公式可以计算以下参数： 利用此公式可以计算以下参数：
1 En 2 = Vni 2 Rs →0 = ( I t 2 + I f 2 ) 2 y21 2 2 Vni 2 y11 2 2 2 = I g 2 + En 2 yn I n = 2 Rs →∞ = I g + ( I t + I f ) Rs y21
第十一章 光电信号处理方法
4.噪声系数 4.噪声系数 定义： ⑴定义：F：放大器总的噪声功率与源电阻在放大器输出端 的噪声功率之比。 的噪声功率之比。 F = Pn 0
K p Pni
其中： 放大器内部噪声. 其中：Pno=Pni+放大器内部噪声. 放大器输入噪声功率=源电阻产生的噪声功率. Pni=放大器输入噪声功率=源电阻产生的噪声功率. ⑵和信噪比的关系 P P P /P 输入信噪比
第十一章 光电信号处理方法
Ⅱ共源场效应管的等效电路及Y参数噪声模型(a) 共源场效应管的等效电路及Y参数噪声模型(a) 参数等效电路模型为(b) (b)： 其Y参数等效电路模型为(b)： 根据二元端的网络电路 的计算方法， 的计算方法，得：
I1 y11 = V1 I y12 = 1 V2
y21 = I2 V1
第十一章 光电信号处理方法