关于光电信号检测电路第1页，共25页，星期日，2025年，2月5日通常要求性能良好的低噪声放大器作为光检测器件的前置放大器。因此如何设计和应用低噪声放大器，如何将一定偏置状态下的检测器件与前置放大器耦合是必须考虑的重要问题。对前置放大器的要求：1、性能上：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。2、结构上：紧凑、靠近检测器件，良好的接地与屏蔽。第2页，共25页，星期日，2025年，2月5日4.5.1放大器的噪声1、放大器的噪声模型将放大器内的所有噪声源折算到输入端，一个阻抗为零的噪声电压源En串联在输入端和阻抗为无限大噪声电流源In与输入端并联。放大器内部成为一个无噪声放大器。En和In通过测量得到。这种等效模型称为放大器的En-In噪声模型。第3页，共25页，星期日，2025年，2月5日2、等效输入噪声信号源与放大器组成的系统的噪声源为三个：En、In和Et。用“等效输入噪声Eni”表示Us为信号源电压Rs为信号源内阻Et为信号源内阻上的热噪声电压Zi为放大器输入阻抗Au为放大器电压增益Uso、Eno分别为放大器总输出信号和输出噪声无噪声放大器第4页，共25页，星期日，2025年，2月5日输出电压和输出噪声:At称系统的增益带入电压表达式得第5页，共25页，星期日，2025年，2月5日等效输入噪声电压为:En,In可直接测量得到则可得等效噪声源表达式：第6页，共25页，星期日，2025年，2月5日Et是源电阻的热噪声C为相关系数如果考虑En和In相关性，引入相关项，等效输入噪声为：第7页，共25页，星期日，2025年，2月5日3、En和In的测量所以当Rs足够大时，Eni2中主要是In2Rs2起作用。可得到En和In的测量方法：①放大器输入端短路，即Rs=0，测得放大器输出端的噪声电压均方根值为Au·En，用Au除之，得En。Au为放大器电压增益。②取一个很大的电阻作为源电阻Rs，测得放大器输出端的噪声电压均方根值为Au·InRs，用Au·Rs除之，得In。第8页，共25页，星期日，2025年，2月5日4、噪声系数—描述放大器的噪声性能噪声系数是描述放大器或其它电路的噪声性能，噪声系数F的定义为放大器总输出噪声功率与源电阻在放大器输出端的噪声功率之比。可表示为：Ap为放大器的功率增益；Pni为放大器的输入噪声功率，即源电阻产生的噪声功率；Ap·Pni表示了源电阻在放大器输出端产生的噪声功率；Pno为放大器输出端总的噪声功率。第9页，共25页，星期日，2025年，2月5日噪声系数是对放大器引起信噪比恶化程度的量度，一个好的放大器应该是在源热噪声的基础上增加尽可能少的噪声，使噪声系数F接近于1。或者说使放大器的输出信噪比接近于输入信噪比。对式分子分母同除以Ap，并应用式和引入Ap（输出信号功率Pso与输入信号Psi之比）表示式，噪声系数可表示为：第10页，共25页，星期日，2025年，2月5日可得：式中Δf为放大系统的噪声等效带宽噪声系数是功率比，可用分贝表示：注：噪声系数主要是用于比较放大器的噪声性能，不一定是放大器噪声特性的最佳合适标志。因为同一放大器，在源电阻增大，热噪声随之增加，使得噪声系数减小。但放大器本身噪声性能并没改变。这种噪声系数的变小，对放大器本身设计没有意义。只有在源电阻相同的情况下，减小噪声系数才有意义。第11页，共25页，星期日，2025年，2月5日5、噪声匹配式表明噪声系数与源电阻Rs有关。在其中某个Rs值时，噪声系数存在一个最小值，此时放大器在源热噪声基础上噪声增加最小，这个源电阻称做最佳源电阻R0。可得：上式被称为噪声匹配条件，此时得噪声系数最小值为：第12页，共25页，星期日，2025年，2月5日4.5.2前置放大器的低噪声设计在实际多级放大器中，总的噪声系数主要是由第一级噪声系数F1决定。因此在级联放大器设计中，尽量提高第一级的功率增益或电压增益，尽量压低第一级放大器的噪声。低噪声前置放大器的设计要求及步骤：1、首先满足放大器间的噪声指标，考虑器件选取和低噪声工作点的确立。注意满足信号源阻抗与放大器间的噪声匹配。2、考虑电路组态、级联方式及负反馈等以满足对放大器增益、频率响应、输入输出阻抗等方面的要求。3、为获得良好的噪声性能，通常还要采取避免外来干扰的多种措施。第13页，共25页，星期日，2025年，2月5日1.噪声匹配的方法要使前置放大器获得最佳噪声性能，必须满足噪声匹配条件，即要求信号源阻抗等于最佳源阻抗。此时放大器的