噪声的基本知识和光电探测器简介
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在微弱信号探测中，这对于信号来讲是一个 不可忽视的量。
●所有的探测器都有热噪声，如何减小热噪声 的影响是光电探测系统的一个重要问题。 ●降低探测器的工作温度T 在低温工作的探测器其热噪声将大大减小， 特别是一些响应于远红外波段的探测器， 为了降低热噪声，将探测器置于液氦(4K)、 液氮(77K)的深冷状态。 ●在信号不失真的条件下，压缩工作频带。
E
2 n
S( f )
f
● S（ f ）的物理意义代表了单位带宽内
的噪声电压的均方值，也就是单位带宽 内的噪声，通常称为功率谱密度。
对热噪声：S(f )=4KTR
与频率无关，为白噪声。
●白噪声的定义：
噪声在整个频带内均匀分布的噪声
●电阻器的热噪声等效模型 ：
一个实际的电阻R产生的热噪声电压，
可以用一个噪声电压源En和一个无噪声电阻R相串 联的二端网络来表示；
●从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为：
in2 2eIf
式中e为电子电荷， Δ f 为探测器工作带宽。
如果I是探测器的暗电流Id，则探测器在无光照 时的暗电流噪声功率为： in2d 2eIdf ●对于由光场作用的光辐射散粒噪声 也可直接写为：
in2p 2eIpf
IP为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流。
●任何一个处于热平衡条件下的电阻，即使 没有外加电压，也都有一定量的噪声，这 是由于电阻体内电子的热运动所引起的。
● AB两极间的电阻为R，在绝对温度T的平衡态下， 内部的电 子处于不断的热运动中， 无序 的电子运动。
●如果从一个想象的截面S去看，任何一瞬间有些电子 从左向右穿越S面，有些电子从右向左穿越S面。
●一般具有规律性，采取适当的措施(如屏蔽、滤波、 远离噪声源等)可以将其减小或消除。
●对系统的可靠性、稳定性影响很大 系统的抗干扰能力
对外部的理解：以被动光电系统为例
来自光电系统内部——噪声
●系统内部的材料、器件或固有的物理过程的自 然扰动。 例如： 导体中带电粒子无规则运动引起的热噪声， 光探测过程中光子计数引起的散粒噪声等。
式中：R为电阻或阻抗元件的实部（单位为欧姆）；
K为玻耳兹曼常数：1.38×10-23 J / K；
T为导体的绝对温度（K）；
f 为测量带宽。
如用噪声电流表示则为:
in2J
4k Tf R
●例如：若一个1KΩ的电阻，在1Hz带宽内，室温 T=290K，则可求得均方根热噪声电压为4nV。
为了简化符号，常记 En2 et2 或 En et2
●热噪声属于白噪声频谱， 一般说来，高端极限额率为：
f H ＝0．15kT×1034Hz=2.07T×1010Hz 由上式可知，fH 与电阻的温度T有关。 在室温下(T＝290k)，fH ＝6×1012Hz， 一般电子学系统工作频率远低于该值， 故可认为热噪声为白噪声频谱。
●研究信号时，通常在频率域中（简称频域） 进行研究，定义功率谱密度 ：
●这些过程是随机过程，它既不能预知其精确大 小及规律，也不能完全消除， 但其遵循的统计规律、也可以通过一些措施 来控制。
●系统内部的噪声：
光子噪声
探测器 噪声
电路噪声
●噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影 响对信号特别是微弱信号的正确探测。
●一个光电探测系统的极限探测能力往往由探 测系统的噪声所限制。
在精密测量、通讯、自动控制、核探测等领 域，减小和消除噪声是十分重要的问题， 是提高光电系统性能指标的关键。
1.2.2 光电探测器的噪声
在光电系统中，探测器的噪声主要有：
●热噪声
●散粒噪声
●产生—复合噪声(g—r噪声)
●温度噪声
●
噪1 声。
f
1．热噪声
●热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机 热运动引起的。
●散粒噪声也是白噪声，与频率无关， 但是它与热噪声的根源不同， 热噪声起源于热平衡条件下大量电子的无规 则热运动，因而依赖于kT， 而散粒噪声直接起源于电子的粒子性， 因而与e直接有关。
3．产生—复合噪声
●半导体中由于载流子产生与复合的随机性而 引起的平均载流子浓度的起伏所产生的噪声 称 为 产 生 — 复 合 噪 声 ， 亦 称 g—r 噪 声 (generation—recombination noise)。
或者用一个噪声电流源In与一个无噪声电阻R相并 联的二端网络来表示。
R （有噪声）
R（无噪声）
En 4KTRf
In
4RTf R
wenku.baidu.com
例 如 ： 室 温 条 件 下 R ＝ 1kΩ 的 电 阻 ， 在 带 宽 1Hz内的均方根热噪声电压值约为4nV；
若工作带宽为500kHz的系统，放大器增益 为103，则在放大器输出端的热噪声均方根 电压约2.8mV。
噪声的基本知识和 光电探测器简介
1.2.1 噪声的基本概念 1.2.2 光电探测器的噪声
1.2.1 噪声的基本概念
光电系统是光信号的变换、传输及处理的系统。 包含光学系统、光电探测器、电子系统。 系统在工作时，总会受到一些无用信号的干扰， 例如：光电变换中光电子随机起伏的干扰；
辐射光场在传输过程中受到通道的影响 背景光的干扰； 放大器引入的干扰等等。 这些非信号的成分统称为噪声
2．散粒噪声
●探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作用或 热激发下，光电子或光生载流子随机产生所造 成的。
由于随机起伏是一个一个的带电粒子或电子引 起的，所以称为散粒噪声。
●散粒噪声存在于光电子发射器件、光生伏特器 件中。
●从阴极发射电子过程来看，它们是完全无规则 的。任一短时间τ内发射出来的电子决不会总 是等于平均数，而是围绕这一平均数有一涨落。
从时间平均来看，这两种方向
T
的电子数一定相等，因为AB A
B
之间没有外电压，不会有电流
通过AB。
RS
●但是考虑流过S面的电子数的均方偏差，则不为零。 这样在AB两端就应出现一电压涨落。
这一电压涨落1928年为琼斯(Johnson)的实验所证实。 同时奈奎斯特推导出热噪声功率为：
et2 4KTR f
●广义噪声的定义： 任何叠加在信号上的不希望的随机扰动或干 扰统称为噪声。
●这些干扰及扰动主要来自两方面： (1)来自光电系统的外部 (2)来自光电系统内部
来自光电系统外部的噪声——干扰
●通常由电、磁、机械、杂散光等因素所引起，这种 干扰绝大多数是“人为的”， 如： 电源50H z 干扰； 工业设备电火花干扰等。
●所有的探测器都有热噪声，如何减小热噪声 的影响是光电探测系统的一个重要问题。 ●降低探测器的工作温度T 在低温工作的探测器其热噪声将大大减小， 特别是一些响应于远红外波段的探测器， 为了降低热噪声，将探测器置于液氦(4K)、 液氮(77K)的深冷状态。 ●在信号不失真的条件下，压缩工作频带。
E
2 n
S( f )
f
● S（ f ）的物理意义代表了单位带宽内
的噪声电压的均方值，也就是单位带宽 内的噪声，通常称为功率谱密度。
对热噪声：S(f )=4KTR
与频率无关，为白噪声。
●白噪声的定义：
噪声在整个频带内均匀分布的噪声
●电阻器的热噪声等效模型 ：
一个实际的电阻R产生的热噪声电压，
可以用一个噪声电压源En和一个无噪声电阻R相串 联的二端网络来表示；
●从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为：
in2 2eIf
式中e为电子电荷， Δ f 为探测器工作带宽。
如果I是探测器的暗电流Id，则探测器在无光照 时的暗电流噪声功率为： in2d 2eIdf ●对于由光场作用的光辐射散粒噪声 也可直接写为：
in2p 2eIpf
IP为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流。
●任何一个处于热平衡条件下的电阻，即使 没有外加电压，也都有一定量的噪声，这 是由于电阻体内电子的热运动所引起的。
● AB两极间的电阻为R，在绝对温度T的平衡态下， 内部的电 子处于不断的热运动中， 无序 的电子运动。
●如果从一个想象的截面S去看，任何一瞬间有些电子 从左向右穿越S面，有些电子从右向左穿越S面。
●一般具有规律性，采取适当的措施(如屏蔽、滤波、 远离噪声源等)可以将其减小或消除。
●对系统的可靠性、稳定性影响很大 系统的抗干扰能力
对外部的理解：以被动光电系统为例
来自光电系统内部——噪声
●系统内部的材料、器件或固有的物理过程的自 然扰动。 例如： 导体中带电粒子无规则运动引起的热噪声， 光探测过程中光子计数引起的散粒噪声等。
式中：R为电阻或阻抗元件的实部（单位为欧姆）；
K为玻耳兹曼常数：1.38×10-23 J / K；
T为导体的绝对温度（K）；
f 为测量带宽。
如用噪声电流表示则为:
in2J
4k Tf R
●例如：若一个1KΩ的电阻，在1Hz带宽内，室温 T=290K，则可求得均方根热噪声电压为4nV。
为了简化符号，常记 En2 et2 或 En et2
●热噪声属于白噪声频谱， 一般说来，高端极限额率为：
f H ＝0．15kT×1034Hz=2.07T×1010Hz 由上式可知，fH 与电阻的温度T有关。 在室温下(T＝290k)，fH ＝6×1012Hz， 一般电子学系统工作频率远低于该值， 故可认为热噪声为白噪声频谱。
●研究信号时，通常在频率域中（简称频域） 进行研究，定义功率谱密度 ：
●这些过程是随机过程，它既不能预知其精确大 小及规律，也不能完全消除， 但其遵循的统计规律、也可以通过一些措施 来控制。
●系统内部的噪声：
光子噪声
探测器 噪声
电路噪声
●噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影 响对信号特别是微弱信号的正确探测。
●一个光电探测系统的极限探测能力往往由探 测系统的噪声所限制。
在精密测量、通讯、自动控制、核探测等领 域，减小和消除噪声是十分重要的问题， 是提高光电系统性能指标的关键。
1.2.2 光电探测器的噪声
在光电系统中，探测器的噪声主要有：
●热噪声
●散粒噪声
●产生—复合噪声(g—r噪声)
●温度噪声
●
噪1 声。
f
1．热噪声
●热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机 热运动引起的。
●散粒噪声也是白噪声，与频率无关， 但是它与热噪声的根源不同， 热噪声起源于热平衡条件下大量电子的无规 则热运动，因而依赖于kT， 而散粒噪声直接起源于电子的粒子性， 因而与e直接有关。
3．产生—复合噪声
●半导体中由于载流子产生与复合的随机性而 引起的平均载流子浓度的起伏所产生的噪声 称 为 产 生 — 复 合 噪 声 ， 亦 称 g—r 噪 声 (generation—recombination noise)。
或者用一个噪声电流源In与一个无噪声电阻R相并 联的二端网络来表示。
R （有噪声）
R（无噪声）
En 4KTRf
In
4RTf R
wenku.baidu.com
例 如 ： 室 温 条 件 下 R ＝ 1kΩ 的 电 阻 ， 在 带 宽 1Hz内的均方根热噪声电压值约为4nV；
若工作带宽为500kHz的系统，放大器增益 为103，则在放大器输出端的热噪声均方根 电压约2.8mV。
噪声的基本知识和 光电探测器简介
1.2.1 噪声的基本概念 1.2.2 光电探测器的噪声
1.2.1 噪声的基本概念
光电系统是光信号的变换、传输及处理的系统。 包含光学系统、光电探测器、电子系统。 系统在工作时，总会受到一些无用信号的干扰， 例如：光电变换中光电子随机起伏的干扰；
辐射光场在传输过程中受到通道的影响 背景光的干扰； 放大器引入的干扰等等。 这些非信号的成分统称为噪声
2．散粒噪声
●探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作用或 热激发下，光电子或光生载流子随机产生所造 成的。
由于随机起伏是一个一个的带电粒子或电子引 起的，所以称为散粒噪声。
●散粒噪声存在于光电子发射器件、光生伏特器 件中。
●从阴极发射电子过程来看，它们是完全无规则 的。任一短时间τ内发射出来的电子决不会总 是等于平均数，而是围绕这一平均数有一涨落。
从时间平均来看，这两种方向
T
的电子数一定相等，因为AB A
B
之间没有外电压，不会有电流
通过AB。
RS
●但是考虑流过S面的电子数的均方偏差，则不为零。 这样在AB两端就应出现一电压涨落。
这一电压涨落1928年为琼斯(Johnson)的实验所证实。 同时奈奎斯特推导出热噪声功率为：
et2 4KTR f
●广义噪声的定义： 任何叠加在信号上的不希望的随机扰动或干 扰统称为噪声。
●这些干扰及扰动主要来自两方面： (1)来自光电系统的外部 (2)来自光电系统内部
来自光电系统外部的噪声——干扰
●通常由电、磁、机械、杂散光等因素所引起，这种 干扰绝大多数是“人为的”， 如： 电源50H z 干扰； 工业设备电火花干扰等。