光电探测器的放大电路优秀课件
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第十二章光电探测器 PPT
计量起伏噪声(以起伏噪声电压 n为(t)例,噪声电流 i类n (似t) )
n (t) 0噪声电压平均值得瞬间振幅与相位随时间呈无规则变化
___
n2 均方值完全确定,表示单位电阻上所消耗得噪声平均功率
___
n2 —计量噪声电压大小
___
n2 —起伏噪声电压有效值
____记__为_____V_ n2
光电导探测器
利用光电导效应可以制成各种用途得光电元件,如光敏电阻(光 电导探测器)、光电管等。其中光敏电阻具有体积小、坚固耐用、 价格低廉、光谱响应范围宽等优点,广泛用于微弱辐射信号得探 测领域。
#
光电导探测器
光电导效应
本征半导体:
光电导增量
e(nn pp )
n和p
分别就是电子与空穴得迁移率
i
生得具有电量为e得光电子数量
量子效率
Ip / e
单位时间内光子所激励得光电子数
Pi /h
单位时间内入射到探测器表面得光子数
代表入射到探测器得单个光子所能产生得光电子数目
#
光电探测器得性能参数
时间常数
探测器得惰性:
当入射光功率发生突然变化时(如开始或停止照射),光电探测器
得输出总不能完全跟随输入而变化。通常用时间常数 来衡 量
在阶跃输入光功率条件下,光电探测器输出电流 为
is
当is
(t
)
i
[1
exp(t 时,(稳态值
/
)]
)
称is (为t)参数
频率响应
——探测器得响应度随入射光调制频率得变化特征 多数探测器得响应度与调制频率得关系为
(f )
0
1
(1+4 2f 2 2 ) 2
光 电 探 测 器ppt课件
*
PIN 光电二极管
(1)结构与工作原理： 为改善PN结耗尽层只有几 微米，长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大，大部 分入射光被中性区吸收， 使光电转换效率低，响应 时间长，响应速度慢的特 性，在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 （称为I），这种结构便是 PIN光电二极管。
P+
I
N+
耗尽层
c
hc Eg
• 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 α (λ)
0.2 0 0.7 0.9 1.1
10%
1.3
1.5
1.7
PIN响应度、量子效率 与波长的关系
3. 响应时间及频率特性
当光电二极管具有单一的时间常数 前沿和脉冲后沿相同，且接近函数 exp(t / 0 ) 和 exp(t /0 ) ， 由此得到脉冲响应时间为 2 . 2 r f 0
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P P+和N+掺杂浓度很高 Ⅱ(N) 。 且I层很厚，约有 N 5~5 0μm，吸收系数 电极 很小，入射光很容易进 PIN光电二极管结构 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对 ,因而大幅度提高 P+层和N+层很薄，吸 了光电转换效率，两侧
0
时，其脉冲
具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定 ，频率为 f c 的正弦调制信号，截止频率 2 f 1 0.35
fc
20
r
谢谢！
响应度分为电压响应度和电流响应度
• 电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比 • 电流响应度RI
PIN 光电二极管
(1)结构与工作原理： 为改善PN结耗尽层只有几 微米，长波长的穿透深度 比耗尽层宽度还大，大部 分入射光被中性区吸收， 使光电转换效率低，响应 时间长，响应速度慢的特 性，在PN结中设置一层掺 杂浓度很低的本征半导体 （称为I），这种结构便是 PIN光电二极管。
P+
I
N+
耗尽层
c
hc Eg
• 量子效率的光谱特 性取决于半导体材 料的吸收系数 α (λ)
0.2 0 0.7 0.9 1.1
10%
1.3
1.5
1.7
PIN响应度、量子效率 与波长的关系
3. 响应时间及频率特性
当光电二极管具有单一的时间常数 前沿和脉冲后沿相同，且接近函数 exp(t / 0 ) 和 exp(t /0 ) ， 由此得到脉冲响应时间为 2 . 2 r f 0
R
P+
N+
PIN光电二极管原理图
抗反射膜
电极
Ⅱ(N) 掺杂浓度很低； P P+和N+掺杂浓度很高 Ⅱ(N) 。 且I层很厚，约有 N 5~5 0μm，吸收系数 电极 很小，入射光很容易进 PIN光电二极管结构 入材料内部被充分吸收 而产生大量的电子-空 穴对 ,因而大幅度提高 P+层和N+层很薄，吸 了光电转换效率，两侧
0
时，其脉冲
具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定 ，频率为 f c 的正弦调制信号，截止频率 2 f 1 0.35
fc
20
r
谢谢！
响应度分为电压响应度和电流响应度
• 电压响应度Rv
光电探测器件输出电压与入射光功率之比 • 电流响应度RI
第二章光电探测器1 (1)PPT课件
PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN 结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电 子拉向N区，光生空穴拉向P区，相当于PN结上加一 个正电压。
半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短 路，则会出现电流（光生电流）。
▪ 光生伏特效应
光照零偏PN结产生开路电压的效应—光电池。
光照反偏—光电信号是光电流—结型光电探测器 的工作原理—光电二极管。
32
单色灵敏度
使用波长为λ的单色辐射源，则称为单色灵敏度，又叫光谱 响应度，用Rλ表示， 定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上 单色辐射通量(光通量)之比。
RV
(V/WV)s
()
R I
(A/WI) s
( )
式中， Φ(λ)为入射的单色辐射通量或光通量。如果Φ(λ)为光 通量，则Rλv的单位为V／lm。
温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在 两结点间产生电动势，回路中产生电流。
当两种不同的配偶材料(金属或半导体)两端并联熔接时，如果 两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电 动势。
特点
所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同 的响应，因而是非选择性探测器。这和光子探测 器在光谱响应上的主要区别。
实际上，() 1 。
对于有增益的光电探测器(如光电倍增管等)，会远 大于1，此时一般使用增益或放大倍数这个参数。
37
3.噪声等效功率(NEP)
（最小可探测功率Pmin）
从响应度来看，好象只要有光辐射存在，不管它的 功率如何小，都可探测出来。 当入射功率很低时，输出只是杂乱无章的信号，无 法肯定是否有辐射入射在探测器上。这它固有的“噪 声”引起的。 随时间起伏的电压(流)按时间取平均值，则平均值等 于零。但其均方根不等于零，这个均方根电压(流)称 为探测器的噪声电压(流)。
半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短 路，则会出现电流（光生电流）。
▪ 光生伏特效应
光照零偏PN结产生开路电压的效应—光电池。
光照反偏—光电信号是光电流—结型光电探测器 的工作原理—光电二极管。
32
单色灵敏度
使用波长为λ的单色辐射源，则称为单色灵敏度，又叫光谱 响应度，用Rλ表示， 定义：光电探测器的输出电压或输出电流与入射到探测器上 单色辐射通量(光通量)之比。
RV
(V/WV)s
()
R I
(A/WI) s
( )
式中， Φ(λ)为入射的单色辐射通量或光通量。如果Φ(λ)为光 通量，则Rλv的单位为V／lm。
温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在 两结点间产生电动势，回路中产生电流。
当两种不同的配偶材料(金属或半导体)两端并联熔接时，如果 两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电 动势。
特点
所有热探测器，在理论上对一切波长都具有相同 的响应，因而是非选择性探测器。这和光子探测 器在光谱响应上的主要区别。
实际上，() 1 。
对于有增益的光电探测器(如光电倍增管等)，会远 大于1，此时一般使用增益或放大倍数这个参数。
37
3.噪声等效功率(NEP)
（最小可探测功率Pmin）
从响应度来看，好象只要有光辐射存在，不管它的 功率如何小，都可探测出来。 当入射功率很低时，输出只是杂乱无章的信号，无 法肯定是否有辐射入射在探测器上。这它固有的“噪 声”引起的。 随时间起伏的电压(流)按时间取平均值，则平均值等 于零。但其均方根不等于零，这个均方根电压(流)称 为探测器的噪声电压(流)。
4-3光电探测器的放大电路
Ap1、Ap2、Ap3分别为各级的功率增益。
12
由
pn 得： NF 1 AP pni
Pn NF 1 Ap Pni
每个放大器单独和源相连接时，得到：
Pn1 NF1 1 Ap1 Pni Pn 2 NF2 1 Ap 2 Pni Pn3 NF3 1 Ap 3 Pni
Ap为三级放大器的总的功率增益：
Ap Ap1 Ap 2 Ap3
14
所以：
NF1, 2,3
Ap 2 Ap3 Pn1 Ap3 Pn 2 Pn3 Pn 1 1 Ap Pni Ap1 Ap 2 Ap3 Pni
Pn1 Pn 2 Pn3 1 Ap1 Pni Ap1 Ap 2 Pni Ap1 Ap 2 Ap 3 Pni
首先介绍低噪声前放的选用方法 。
20
噪声系数NF是用来描述放大器（或一个器件）噪声性能的
参数，如果一个放大器是理想的无噪声的放大器，那么，它 的噪声系数NF=1，而NF=10 lg(NF)=0（dB）
一个实际的质量好的低噪声前臵放大器其NF值可以做到
0.05dB，甚至更低。
生产厂商在出售低噪声前放时，都附有关的技术资料，其
对于低噪声运放，生产厂家一般会在其产品手册中提供一定 测试条件下的NF-Rs曲线，如下便是两例。
OP-07的NF-Rs曲线
LMC662的NF-Rs曲线
从NF-Rs曲线上可以清楚地看到，在所运用的频率范围下， 源电阻Rs和NF的关系，当源电阻为50KΩ，运用频率为 1KHz时，OP-07的NF约为3dB，而LMC662却为8dB，故这 两者比较应选用OP07。
f0可调的带通滤波器，采用噪声发生器法，或正弦波法，测出不 同Rs和f0条件下的一系列NF值，都标在坐标图上。
光 电 探 测 器ppt课件
2
(W )
4.探测度D与归一化探测度D*
• 探测度D 为噪声等效功率的倒数，即
• 归一化探测度D*
1 D NEP
由于D与探测器的面积Ad 和放大器带宽 Δ f乘积的平方根成正比，为消除这一影 响，定义： D*越大的探测器其探测能力越强。
1 1 / 2 D DAf ( ) d * N E P
出下降到稳定值所需要的时间。
2.量子效率
量子效率：是指每入射一个光子光电探测器所释放 的平均电子数。它与入射光能量有关。其表达式
为:
I /e P / h
式中，I是入射光产生的平均光电流大小，e是电子 电荷，P是入射到探测器上的光功率。I/e为单位时 间产生的电子数,P/hυ 为单位时间入射的光子数。
光电探测器
光电检测器件
光子器件
真空器件
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管
热电器件
固体器件
光敏电阻 热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电 阻 热释电探测器
光电池
光电二极管 光电三极管
光纤传感器
电荷耦合器件 CCD
光电探测器的种类
光电探测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信 号的转换。对光检测器的基本要求是：
+ +
E
收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽 层，因而光生电流中漂移分量占支配地位， 从而大大提高了响应速度。还可以通过控制 耗尽层的厚度，来改变器件的响应速度。
为使入射光功率有效转换成光电流，它须在耗尽区内被半 导体材料有效吸收，故要求耗尽区足够厚、材料对入射光 的吸收系数足够大。在厚度W内被材料吸收的光功率可表 W 示为 ： P W P 1 e
(W )
4.探测度D与归一化探测度D*
• 探测度D 为噪声等效功率的倒数，即
• 归一化探测度D*
1 D NEP
由于D与探测器的面积Ad 和放大器带宽 Δ f乘积的平方根成正比，为消除这一影 响，定义： D*越大的探测器其探测能力越强。
1 1 / 2 D DAf ( ) d * N E P
出下降到稳定值所需要的时间。
2.量子效率
量子效率：是指每入射一个光子光电探测器所释放 的平均电子数。它与入射光能量有关。其表达式
为:
I /e P / h
式中，I是入射光产生的平均光电流大小，e是电子 电荷，P是入射到探测器上的光功率。I/e为单位时 间产生的电子数,P/hυ 为单位时间入射的光子数。
光电探测器
光电检测器件
光子器件
真空器件
光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管
热电器件
固体器件
光敏电阻 热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电 阻 热释电探测器
光电池
光电二极管 光电三极管
光纤传感器
电荷耦合器件 CCD
光电探测器的种类
光电探测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信 号的转换。对光检测器的基本要求是：
+ +
E
收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽 层，因而光生电流中漂移分量占支配地位， 从而大大提高了响应速度。还可以通过控制 耗尽层的厚度，来改变器件的响应速度。
为使入射光功率有效转换成光电流，它须在耗尽区内被半 导体材料有效吸收，故要求耗尽区足够厚、材料对入射光 的吸收系数足够大。在厚度W内被材料吸收的光功率可表 W 示为 ： P W P 1 e
最新常用光电探测器PPT课件
V
Pmax Rg
RL Rg
光敏电阻
时间响应特性
光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增 大或减小，而是有一响应时间。响应时间常数是由电流上 升时间和衰减时间表示。
光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负 载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间） 等因素有关。
光敏电阻
稳定特性
P3
－ V
+
u2 RL1
u1 o i1
RL2
i2
i
RL1
RL2 RL
i
▪ 第三象限是反偏压状态。这时iD=iS0，是普通二极管中的反向饱和电流，
称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS0)是 流过探测器的主要电流，对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的
光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分
几种国产硅光电池的特性
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
短路电流和开路电压
短路电流——RL=0 开路电压——RL=∞
光电池等效电路
Cj：结电容 ish：pn结漏电流，很小 Rsh：等效泄露电阻，很大 Rs：引出电极－管芯接触电阻
HgxCd1-xTe探测器：化合物本征型光电导探测器，由 HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带宽度 随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为8~14μm， 工作温度77K，用液氮致冷；内电流增益约为500，低 内阻，广泛用于10.6μm的CO2激光探测。
光敏电阻
《光电探测器》PPT课件
6、光敏二极管的一般特性
a、量子效率 为每个入射光子所激发的电子空穴对数。
I ph q ( )
式中， I ph是光生电流，()是波长为 （ 对应光子能量为 h）的光子通量。
b、 响应度 R()为光电流对入射光功率之比。
R() I ph I ph q (m) ( A / W ) P ()hv hv 1.24
8 半导体光电探测器
2021/4/24
1
本章内容
• 1.半导体光电探测器概述 • 2.光敏电阻 • 3.光敏二极管
2021/4/24
2
8.1 半导体光电探测器概述
光电探测器是对各种光辐射进行接收和探测的器件。
光电探测器
光电发射器件：真空光电二极管，光电倍增管等
半导体光电探测器
光导型（PC）:各种光敏电阻
本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光 子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光 =
hc
1240
Eg
1240
Eg
引入长波限λ0，若波长长于λ0， 即无本征吸收
2021/4/24
11
8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
24
8.3光敏二极管
4、光敏二极管的伏安特性
由图可见，在低反压下电流随光电 压变化非常敏感。这是由于反向偏压 增加使耗尽层加宽、结电场增强，它 对于结区光的吸收率及光生裁流子的 收集效率影响很大。当反向偏压进一 步增加时，光生载流子的收集已达极 限，光电流就趋于饱和。这时，光电 流与外加反向偏压几乎无关，而仅取
t 响应速度受三个因素的限制：载流子的扩散时间
4-3光电探测器的放大电路
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噪声系数NF是用来描述放大器（或一个器件）噪声性能的 参数，如果一个放大器是理想的无噪声的放大器，那么，它 的噪声系数NF=1，而NF=10 lg(NF)=0（dB）
一个实际的质量好的低噪声前置放大器其NF值可以做到 0.05dB，甚至更低。
生产厂商在出售低噪声前放时，都附有关的技术资料，其 中就包括提供各种测试条件下的NF值。
美国PARC公司113型低噪声前放的等值图：
利用NF图，我们可以做到如下几点： （1 ）从NF 图中，可以选择NF 最小的Rs 和f0 的范围。如 113型低噪声前放NF=0.05dB等值线f0 的范围在几个Hz到 几KHz，而Rs的范围从几百KΩ到十兆Ω（10MΩ） （2）在实际的微弱信号检测中，不同的检测对象可根据 NF图选择最适用的前放。
Ap Pni
Ap1 Ap2 Ap3 Pni
= 1 + Pn1 +
Pn 2
+
Pn 3
A p1 Pni A p1 A p 2 Pni A p1 A p 2 A p 3 Pni
= NF
1+
NF 2 1 A p1
+ NF 3 1 A p1A p2
对于n级级联放大器，可以得出其噪声系数为：
NF1, 2Ln = NF1 +
例如：OP07和LMC662在1KHz时的和分别如下
En / Δf
I n / Δf
OP07 9.6nVHz-1/2
120fA Hz-1/2
LMC662 22nVHz-1/2
0.113fA Hz-1/2
常温下，当Rs=50KΩ，且工作1KHz条件下应选哪 一种运放?
O P
O P
E ni2 = E ns2 + E n2 + ( I n Rs ) 2
噪声系数NF是用来描述放大器（或一个器件）噪声性能的 参数，如果一个放大器是理想的无噪声的放大器，那么，它 的噪声系数NF=1，而NF=10 lg(NF)=0（dB）
一个实际的质量好的低噪声前置放大器其NF值可以做到 0.05dB，甚至更低。
生产厂商在出售低噪声前放时，都附有关的技术资料，其 中就包括提供各种测试条件下的NF值。
美国PARC公司113型低噪声前放的等值图：
利用NF图，我们可以做到如下几点： （1 ）从NF 图中，可以选择NF 最小的Rs 和f0 的范围。如 113型低噪声前放NF=0.05dB等值线f0 的范围在几个Hz到 几KHz，而Rs的范围从几百KΩ到十兆Ω（10MΩ） （2）在实际的微弱信号检测中，不同的检测对象可根据 NF图选择最适用的前放。
Ap Pni
Ap1 Ap2 Ap3 Pni
= 1 + Pn1 +
Pn 2
+
Pn 3
A p1 Pni A p1 A p 2 Pni A p1 A p 2 A p 3 Pni
= NF
1+
NF 2 1 A p1
+ NF 3 1 A p1A p2
对于n级级联放大器，可以得出其噪声系数为：
NF1, 2Ln = NF1 +
例如：OP07和LMC662在1KHz时的和分别如下
En / Δf
I n / Δf
OP07 9.6nVHz-1/2
120fA Hz-1/2
LMC662 22nVHz-1/2
0.113fA Hz-1/2
常温下，当Rs=50KΩ，且工作1KHz条件下应选哪 一种运放?
O P
O P
E ni2 = E ns2 + E n2 + ( I n Rs ) 2
光电探测器PPT课件
.
6
3．电子光学系统
电子光学系统是适当设计的电极结构，使前一级发射出来
的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一 级的收集率接近于1；并使前一级各部分发射出来的电子，落 到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时间零散最小。
.
7
4．倍增系统
倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是
倍增极材料大致可分以下四类：
1）含碱复杂面主要是银氧铯和锑铯两种，它们既是灵敏的光 电发射体，也是良好的二次电子发射体。
2）氧化物型，主要是氧化镁。 3）合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。 4）负电子亲合工作电压不致于过高；热发射小，以便整管的暗电流和噪声小
测试阴极灵敏度时，以阴极为一极，其它倍增极和阳极都 连到一起为另一极，相对于阴极加100～300V直流电压，照射 到光电阴极上的光通量约为10-2～10-5lm。
测试阳极灵敏度时，各倍增极和阳极都加上适当电压，因 为阳极灵敏度是整管参量，与整管所加电压有关，所以必须注 明整管所加电压。
积分灵敏度与测试光源的色温有关，一般用色温为2856K 的白炽钨丝灯（A光源）。(色温：辐射源发射光的颜色与黑体 在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐 射源的色温。)色温不同时即使测试光源的波长范围相同，各单 色光在光谱分布中的组分不同时. ，所得的积分灵敏度也不同。14
侧窗式
端窗式
.
4
1．光窗
光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。一般常 用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和 氟镁玻璃等。由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收 越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。
.
光电信号检测电路设计ppt课件
开路电压最大值受势垒高度限制， 通常为0.45—0.6V。
较小的光通量可引起电压输出较大，对弱光检测有利， 尽管线性不好，可用作开关元件
精品课件
26
（3）线性电压输出
区域Ⅱ
在串联的负载电阻上能得到与输入光通量近 似成正比的信号电压。负载电阻增大有助于 提高输出电压，但增大到一定临界值时，输 出信号将发生非线性畸变。
精品课件
7
（a），减小负载（斜率增大），使输出信号电流增大而电压减小。负载的减 小受到最大工作电流和功耗的限制；过大的负载，使负载线越过转折点M进 入非线性区，使信号失真。
（b），增大偏置电压使输出信号电压幅度增大，改善线性度，但功耗随之
增大，且可能使光电二极管反向击穿精。品课件
8
2、解析计算法 分段折线化伏安特性
精品课件
15
（4）计算输出电流幅度
IIm axIm inG L U
IGLUS1G/GL（负载减小，输出电流幅值增大）
通常GL>>G
I S
精品课件
16
（5）计算输出电功率 由功率关系P=U I，得
PGLU2GL(G S GL)2
精品课件
17
光伏型器件光电信号输入电路
伏安特性：一组以入射光功率为参量的曲 线簇，分布在伏安坐标系的第四象限。
转折电压U0---对应于曲线转折点M处的电压值 初始电导G0---非线性区近似直线的初始斜率 结间漏电导G---线性区各平行直线的平均斜率 光电灵敏度S---单位输入光功率所引起的光电流值
精品课件
9
设输入光功率为P，对应的光电流为Ip，则
S Ip /P
线性区内伏安特性可表示为
I f(U , ) Id Ip G U S
光电探测器的放大电路 ppt课件
I
2 n
R
2 s
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。因为采用En—In模型后，放大器便视为是无噪声的了， 这样一个无噪声的网络并不改变整个系统的噪声性能，无噪声 放大器的所有参数(包括输入阻抗)不应再在Eni的表达式中出现。
采用En-In模型的另一个原因，是因为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开路输出噪声 电压(或短路输出噪声电流)；然后折合到源端位置就得到等效 输入噪声电压Eni的大小。
例如：T=290K
F=1.12时
Ti=35K
F=1.21时
Ti=61K
两噪声系数只相差0.09，而两Ti相差26K。
从噪声系数上看，两放大器差别很小，但从噪声温度上看,两 者相差很大。因此，在噪声很低的场合，用噪声温度表示能更 清楚地显示出放大电路的噪声性能。
PPT课件
28
• 噪声温度表示法就是折合热噪声法，它可以描述热噪声，也可以 描述其它噪声，还可以用来描述噪声源温度不均等时的噪声．这 种表示法的重要特点就在于将各种噪声归结到温度量的变化上。
PPT课件
25
六、噪声温度－折合热噪声法
1. 放大器噪声温度
噪声温度的概念是：把放大电路的内部噪声看作是由信号源内 阻Rs在温度为Ti时所产生的噪声。也就是说，如果在放大器输 入端串接一个电阻，其大小等于信号源电阻Rs，当在某个温度 Ti时，其上所产生的热噪声等于放大器本身（不包括源）的噪 声，则称温度Ti为放大器的噪声温度。
噪声功率
F
En2o En2s K p
En2o
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(S/N)o
电压表示则为：
(S/ NF20lg
N)v,i
(S/ N)v,o
16
噪声系数意义： NF10lg(S/N)i
(S/N)o
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：
总的等效输入噪声功率 F= 输入端源电阻噪声功率
从输入端 角度出发
14
（3）推导式二
FE Enn22si En2sEEn2n2s In2Rs2
1En2
In2Rs2 En2s
1En2E A/n2K s p
放大器输入噪声功率 F= 1+ 输入端源电阻噪声功率
15
（4）推导式三
不为Eni，此时输入端噪声 功率仅为源电阻产生的热
9
3. 实验方法测放大器的En，In：
EEEIR 2
2
ni n
2 ns
2 n
2 s
E
2 ni
E
2 no
A v2s
Avs
Av
Zi Rs Zi
（1）测En。放大器输入端短路，即Rs＝0（Ens、InRs均 为零），测得放大器输出端的噪声电压均方根值为AvEn ， 除以Av得En；
（2）测In。取一个很大的电阻作为源电阻（或放大器输 入端开路），即Rs＝无穷大（InRs），测得放大器输出 端的噪声电压均方根值为AvsInRs，除以AvsRs得In。
8
En 2iEn 2En 2sIn 2Rs2
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。因为采用En—In模型后，放大器便视为是无噪声的了， 这样一个无噪声的网络并不改变整个系统的噪声性能，无噪声 放大器的所有参数(包括输入阻抗)不应再在Eni的表达式中出现。
采用En-In模型的另一个原因，是因为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开路输出噪声 电压(或短路输出噪声电流)；然后折合到源端位置就得到等效 输入噪声电压Eni的大小。
10
三、放大器的噪声系数
在实际工作中常常需要衡量一个放大器，或者一个元件， 或者一个系统的噪声性能。系统的噪声性能，不仅仅是指系 统本身元器件产生噪声的大小，还包括它对信号影响的程度。 由于Eni的表示式中含有源电阻Rs及其热噪声项，故不宜用Eni 作为衡量的指标。另一方面，同时用En、In来表示又比较麻烦。 因此，在噪声分析中，通常是用噪声系数NF（Noise Figure） 作为衡量放大器或元件、或系统噪声性能的指标。为了定义 噪声系数NF，先给出信噪比的定义。
光电探测器的放大电路优秀课 件
1
光探测电路示意图
放大器 偏置电路
光探测器及 其偏置电路
耦合 网络
低噪声 前置放大
器
反馈电路
多级放大 系统
后级信号 处理电路
2
4.2.1 放大器的噪声模型
3
一、放大器的设计前提
设计高质量的低噪声前置放大器，我 们要了解：
• 信号的特性 • 噪声的特性 • 噪声分析方法
Vso
Eno Q: 如何得到等效输入噪声Eni？
（c）
Vs－信号源，Zi－放大器的输入阻抗，RS－信号源内阻， Ens－RS的热噪声 En－噪声电压源，In－噪声电流源，Av－放大器电压增益 Eni－放大器输入端的噪声电压，Vso－放大器的输出端电压，Eno－放大器输出端的总6噪声
根据电路叠加原理，各噪声源在放大器输
噪声功率
FEn 2E sn 2K op En 2s(E En s2 2o o/Es2i)E Ess2 2o iE En 2 n 2o sE Es2 s2o i//E En n 2 2so (S/N)i (S/N)o
输入端信噪比 F= 输出端信噪比
Q: F或NF的大小？
用分贝表示则写成：NF10lg(S/N)i
11
1. 信噪比：
输出端信号功率与噪声功率之比，称为信号噪 声比，简称信噪比
(S/
N 为输出端信号功率 Pno 为输出端噪声功率
12
2. 噪声系数（Noise Factor）： （1）基本定义 输出端总噪声功率 F= 源电阻产生的输出噪声功率
即
F
E
2 no
为此学习一些关于放大器的噪声及描述放大器噪声 特性的一些有关参数和模型，从而更好地抑制噪声、放 大信号。
4
二、放大器的噪声
1. 放大器的En－In噪声模型
（a）
(b) En-In模型
利用En-In模型的优点： （1）放大器便可看成是无噪声的，对放大器噪声的研究归结为只要分析En、 In在整个电路中所起的作用。简化了电路系统的噪声的计算。 （2）模型的实验基础：能够通过实验测量得出En、In的具体大小。
E
2 ns
K
p
Kp为放大器系统的功率增益
从输出端角 度出发
13
（2）推导式一
放大器噪声总 是存在，F大于 1的原因
上以下K 同即除 p，
F E n 2 E n 2 s K o p E n 2 E /o n 2 K s p E E n n 2 2s i E n 2 sE E n 2 n 2 s In 2 R s 2
出端的贡献分别为：
• E 的贡献为： ns
En o(Ens) EnsRsZiZi Av
• E 的贡献为： n
Eno(Ens)
En
Zi Rs Zi
Av
• I 的贡献为： n
En (o In)In(Rs||Zi)AvInRR ssZZ ii Av
Ens的贡献
En的贡献
7
In的贡献
若En、In不相关，将上述各项均方相加便得总 的输出噪声为：
Vs－信号源，Zi－放大器的输入阻抗，RS－信号源内阻， Ens为RS的热噪声 5 En－噪声电压源，In－噪声电流源，Av－放大器电压增益，
2. 等效输入噪声
（b）
利用En-In模型，一个放大系统的噪声 简化为三个噪声即En、In和Ens。进一步 考虑这三个噪声源的共同效果，我们将 它们统统等效地归结到信号源位置上， 用单一噪声源代替原系统的所有噪声源, 称为等效输入噪声Eni。
En 2o En 2(o En)sEn 2(o En)En 2 (o In) En 2sRsZ iZi A v2En 2RsZ iZi A v2In 2Rs2RsZ iZi A v2
Avs
Zi Rs Zi
Av －信号源到放大器输出端的传输函数 （考虑源在内的系统增益，注意和Av的区别！）
因此等效输入噪声为： En 2iE An v2 2soEn 2sEn 2In 2Rs2
电压表示则为：
(S/ NF20lg
N)v,i
(S/ N)v,o
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噪声系数意义： NF10lg(S/N)i
(S/N)o
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：
总的等效输入噪声功率 F= 输入端源电阻噪声功率
从输入端 角度出发
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（3）推导式二
FE Enn22si En2sEEn2n2s In2Rs2
1En2
In2Rs2 En2s
1En2E A/n2K s p
放大器输入噪声功率 F= 1+ 输入端源电阻噪声功率
15
（4）推导式三
不为Eni，此时输入端噪声 功率仅为源电阻产生的热
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3. 实验方法测放大器的En，In：
EEEIR 2
2
ni n
2 ns
2 n
2 s
E
2 ni
E
2 no
A v2s
Avs
Av
Zi Rs Zi
（1）测En。放大器输入端短路，即Rs＝0（Ens、InRs均 为零），测得放大器输出端的噪声电压均方根值为AvEn ， 除以Av得En；
（2）测In。取一个很大的电阻作为源电阻（或放大器输 入端开路），即Rs＝无穷大（InRs），测得放大器输出 端的噪声电压均方根值为AvsInRs，除以AvsRs得In。
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En 2iEn 2En 2sIn 2Rs2
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。因为采用En—In模型后，放大器便视为是无噪声的了， 这样一个无噪声的网络并不改变整个系统的噪声性能，无噪声 放大器的所有参数(包括输入阻抗)不应再在Eni的表达式中出现。
采用En-In模型的另一个原因，是因为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开路输出噪声 电压(或短路输出噪声电流)；然后折合到源端位置就得到等效 输入噪声电压Eni的大小。
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三、放大器的噪声系数
在实际工作中常常需要衡量一个放大器，或者一个元件， 或者一个系统的噪声性能。系统的噪声性能，不仅仅是指系 统本身元器件产生噪声的大小，还包括它对信号影响的程度。 由于Eni的表示式中含有源电阻Rs及其热噪声项，故不宜用Eni 作为衡量的指标。另一方面，同时用En、In来表示又比较麻烦。 因此，在噪声分析中，通常是用噪声系数NF（Noise Figure） 作为衡量放大器或元件、或系统噪声性能的指标。为了定义 噪声系数NF，先给出信噪比的定义。
光电探测器的放大电路优秀课 件
1
光探测电路示意图
放大器 偏置电路
光探测器及 其偏置电路
耦合 网络
低噪声 前置放大
器
反馈电路
多级放大 系统
后级信号 处理电路
2
4.2.1 放大器的噪声模型
3
一、放大器的设计前提
设计高质量的低噪声前置放大器，我 们要了解：
• 信号的特性 • 噪声的特性 • 噪声分析方法
Vso
Eno Q: 如何得到等效输入噪声Eni？
（c）
Vs－信号源，Zi－放大器的输入阻抗，RS－信号源内阻， Ens－RS的热噪声 En－噪声电压源，In－噪声电流源，Av－放大器电压增益 Eni－放大器输入端的噪声电压，Vso－放大器的输出端电压，Eno－放大器输出端的总6噪声
根据电路叠加原理，各噪声源在放大器输
噪声功率
FEn 2E sn 2K op En 2s(E En s2 2o o/Es2i)E Ess2 2o iE En 2 n 2o sE Es2 s2o i//E En n 2 2so (S/N)i (S/N)o
输入端信噪比 F= 输出端信噪比
Q: F或NF的大小？
用分贝表示则写成：NF10lg(S/N)i
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1. 信噪比：
输出端信号功率与噪声功率之比，称为信号噪 声比，简称信噪比
(S/
N 为输出端信号功率 Pno 为输出端噪声功率
12
2. 噪声系数（Noise Factor）： （1）基本定义 输出端总噪声功率 F= 源电阻产生的输出噪声功率
即
F
E
2 no
为此学习一些关于放大器的噪声及描述放大器噪声 特性的一些有关参数和模型，从而更好地抑制噪声、放 大信号。
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二、放大器的噪声
1. 放大器的En－In噪声模型
（a）
(b) En-In模型
利用En-In模型的优点： （1）放大器便可看成是无噪声的，对放大器噪声的研究归结为只要分析En、 In在整个电路中所起的作用。简化了电路系统的噪声的计算。 （2）模型的实验基础：能够通过实验测量得出En、In的具体大小。
E
2 ns
K
p
Kp为放大器系统的功率增益
从输出端角 度出发
13
（2）推导式一
放大器噪声总 是存在，F大于 1的原因
上以下K 同即除 p，
F E n 2 E n 2 s K o p E n 2 E /o n 2 K s p E E n n 2 2s i E n 2 sE E n 2 n 2 s In 2 R s 2
出端的贡献分别为：
• E 的贡献为： ns
En o(Ens) EnsRsZiZi Av
• E 的贡献为： n
Eno(Ens)
En
Zi Rs Zi
Av
• I 的贡献为： n
En (o In)In(Rs||Zi)AvInRR ssZZ ii Av
Ens的贡献
En的贡献
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In的贡献
若En、In不相关，将上述各项均方相加便得总 的输出噪声为：
Vs－信号源，Zi－放大器的输入阻抗，RS－信号源内阻， Ens为RS的热噪声 5 En－噪声电压源，In－噪声电流源，Av－放大器电压增益，
2. 等效输入噪声
（b）
利用En-In模型，一个放大系统的噪声 简化为三个噪声即En、In和Ens。进一步 考虑这三个噪声源的共同效果，我们将 它们统统等效地归结到信号源位置上， 用单一噪声源代替原系统的所有噪声源, 称为等效输入噪声Eni。
En 2o En 2(o En)sEn 2(o En)En 2 (o In) En 2sRsZ iZi A v2En 2RsZ iZi A v2In 2Rs2RsZ iZi A v2
Avs
Zi Rs Zi
Av －信号源到放大器输出端的传输函数 （考虑源在内的系统增益，注意和Av的区别！）
因此等效输入噪声为： En 2iE An v2 2soEn 2sEn 2In 2Rs2