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范文一：光电信号处理习题和答案
1. 利用低噪声集成运算放大器设计低噪放大电路应遵循哪些原则？如何选择器件？
答：要遵循的原则有：（1）“噪声匹配”原则，即源电阻满足：R s ＝E n /In , 此时可以使放大器的噪声系数为最小；（2）多级放大器的噪声系数Friis 公式：从它可以看出多级放大器噪声系数的大小主要取决于第一级的噪声系数，为使总噪声系数小应该尽量减小第一级的噪声系数以及提高第一级的功率放大倍数；（3）放大电路中如果要用耦合网络，耦合网络也要满足下面的三个条件：（a ）对于耦合网络中的串联阻抗元件满足：
?R cs
（b ）对于耦合网络中的并联阻抗元件
??R cp
（c ）为了减小电阻元件的过剩噪声，（过剩噪声是除了热噪声之外的一种由流过电阻的直流电流所引起的1/f噪声）必须尽量减小流过电阻的电流，或降低电阻两端的直流压降。由于每一个元件都是一个噪声源，对系统的输出噪声都有贡献，因此为了减小输出端的噪声，提高信噪比，应尽量采用简单的耦合方式， 在可能的情况下，应采用直接耦合方式，从而消除耦合网络所带来的噪声；（4）由于集成放大电路，第一级通常采用差动式放大电路，这是用来克服温漂的措施，是不适于作低噪声前放使用的，差动式的放大电路的噪声是功率增益相同的单级放大电路的2倍，因此低噪声集成放大电路的输入级从理论上说必须采用单管工作方式，并且其负载或偏置电路必须采用电阻而不宜用有源器件代替，否则会增加第一级的噪声但是有些低噪声集成运放，为了兼顾温漂指标，亦采用差动式输入级，此时一般用场效应管作为差动式输入级，因为场效应管的噪声系数在中、低频区比晶体三极管的小得多.
选择器件的方法有：
(1) 利用低噪声运放的NF-Rs 曲线选择运放。
(2) 利用E n 、I n 计算E ni 安培
I n /?f E n /?f
许多生产厂家，只提供了噪声的谱密度函数和其单位分别为： 伏特
赫芝I n /?f E n /?f
和 ，此时，可I n /?f 根据源电阻Rs 的情况，选用 和 均小的运放。是在Rs 大的情况下， 起着比较大的作用。根据实际计算来确定Eni 从而和Vs 比较。再根据Psi/Pni（或Vsi/Eni）的要求来决定运放是否符合要求
2. 如何测量低噪声放大器的噪声参数？画出测量原理图并说明测量方法。
答：由于噪声测量中的噪声电压往往只有μＶ或者nV 数量级，因此不能直接把一个高灵敏的电压表放在放大器输入端去测量，一方面是因为噪声值太小，另一方面还因为噪声实际上分布在放大器的各个部分，将其等效到输入端只是理论分析处理的结果。因此噪声的测量都是在输出端测量。测出的总噪声是系统内部各个噪声作用的综合结果。可以首先测量出系统的等效输入噪声E ni ，再间接的得出其他噪声。
对等效输入噪声的测量有两种：一种是正弦波法，另一种是噪声发生器法。正
弦波测量法的原理图如下：
测量步骤为：
(1) 在输出端测量总输出噪声E no ：去掉信号发生器和保留源阻抗Zs 的情形下进行，然后在输出端用有效值（均方根值）电压表测得E no 。测量噪声的电压表
应该满足：一是要正确地响应电压的有效值。普通电压表是响应均值的整流式仪表，用这种仪表测噪声时，由于噪声均值为零，故无法响应；二是有足够的带宽。有的仪表如表磁式和电动式仪表，它们都能正确地响应有效值，但由于带宽窄，将使噪声电压读数减小。一般要求仪表的带宽大于噪声带宽的10倍。即使是这样，噪声功率增益曲线的尾部也往往被仪表带宽所限而不能通过，使得读数下降。
(2) 测量并计算从信号源到输出端的传输函数A vs （Kv ），A vs ＝V o /Vs . 测量从信号源到输出端的传输函数Avs ：用一个正弦波信号发生器Us 与源阻抗Zs 串联，然后测量输出信号V o 。
注意的是输入信号电压V s 的电平应比噪声电平高，同时在测量时要保证放大器不会处于饱和状态。可以使输入信号加倍或者减半，如果输出信号也加倍或者减半，那么说明放大器是未饱和的，也可以和理论计算相验证。
(3) 计算出等效输入噪声
E ni =E n 0A vs
计算出E ni 后再利用下面的关系式：
2E n 0E =2K v 2ni ???
22222E ni =E ns +E n +I n R s ??
可以得出其他噪声系数表达式：
3. 比较同步累计法与取样积分法的异同点。
答：同步累计法的基本原理是：利用信号的重复性和噪声的随机性，对信号重复测量多次，使信号同相地累积起来，噪声则无法同相累积，使信噪比得到改善。显然，测量次数越多，则信噪比的改善越明显。
取样积分法要求：①微弱周期信号的周期是已知的，这种信号一般是在主动测量中，源发出的周期性信号与被测物体作用后产生的，②被检测的微弱信号的周期和源发出的周期性信号的周期存在一定的关系，或者相等，或者存在某种函数关系。如果我们能够很准确地对准周期信号的某一点（如图），在每个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样值保存在积分器中；经过ｍ次取样后，如同同步累积法一样，信号得到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了一部分所以信号在噪声中显现出来。如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有可能
将被噪声淹没的信号恢复波形。
从两者的原理可以看出其相同的地方都是采用了一个累加过程，其中都利用了平均法消除随机噪声。而两者不同的地方在于：
取样积分分为两种：单点取样积分：只是对信号的某一点进行同步累积，从而加强信号而噪声相互消除，这称为单点取样积分；
多点取样积分器，多点取样积分则可恢复原微弱信号的的波形。同步累积法只是使信号同相地累积起来，
同步积分器是在信号持续的半个周期内对信号进行积分。而取样积分器，是对周期信号的某一点取样并累积。
4. 简述光子计数器的基本原理，说明如何根据光子计数器的要求选择光电倍增管？
答：光子计数器的原理框图如下，PMT 阴极接受光辐射，进行光电转换后，再经过打拿极放大，输出至阳极。阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出，经过放大器信号放大后送到鉴别器，鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗电流和干扰，计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。
光电倍增管是利用外光电效应把入射光子转变为光电信号的探测器，是光子计数器的核心部体，它将接收到的一个一个光子转变为电脉冲信号。光子计数器是测量弱光的仪器，如果被检测光束光子速率过大，则光电倍增管不能分辨，无法计数。因此光子计数器只能对一定光子速率以下的光子束进行计数测量。这个速率是由光电倍增管的渡越时间离散Δτ决定的。光电倍增管的渡越时间离散Δτ为10~20ns，因此输出电流脉冲的半宽度tw 亦为10~20ns。直列聚焦式光电倍增管的的倍增极的形状具有特定的弧形，它的这种弧形结构可形成一个聚焦电场，
使
前级的二次发射电子能准确地射到本倍增极的中央。另外，还采取了一些附加措施，用以抑制空间电荷效应，光子计数器要求光电倍增管其渡越时间离散Δτ很小，渡越时间τ也较小。为获得稳定的增益G 并使阳极输出电压有最大的信噪比和窄的脉冲高度，必须设计合理的偏置电路，各倍增级电压在80~120V之间，光电倍增管一般采用阳极接地方式工作，阳极输出电流脉冲可直接耦合到一个低输入阻抗的宽频带放大器的输入端。
5．将光电探测器按原理分类，并说明各类探测器的特点。
解：光电探测器是一种将辐射能转换成电信号的器件，是光电系统的核心组成部分，光电探测器的工作原理主要基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应和热电效应。
光电探测器按原理分类可分为两大类：1. 利用各种光子效应即入射光子和材料中的电子发生各种直接相互作用的光子探测器。2. 利用温度变化效应的热探测器。
按是否发射电子，光电效应分为内光电效应和外光电效应，而内光电效应又包括光电导效应，光生伏特效应，光子牵引效应和光磁电效应。
热电效应包括电阻温度效应，温差电效应和热释电效应。
光子探测器的特点：它是一种波长选择性探测器，要产生光子效应，光子的能量要超过某一确定的值，即光子的波长要短于长波限。波长长于长波限的入射辐射不能产生所需的光子效应，因而也就不能被探测出来。另一方面．波长短于长波限的入射辐射，当功率一定时，波长愈短，光子数就愈少。因此理论上光子探测器的响应率(即单位辐射功率所产生的光信号) 应与波长成正比。
利用外光电效应即光电子发射效应的探测器称为光电子发射探测器。光电子发射探测器主要是可见光探测器，只适用于近红外的探测，因此在红外系统中应用不多。光电倍增管主要用于可见和紫外光辐射探测，在波长仅限于1．06μm 以内的光辐射探测。光谱范围窄，灵敏度高，惰性小，噪声底，供电电压高，抗震性差。
光电导探测器是利用光电导效应的探测器，光电导探测器响应范围可根据器件材料不同可从可见光、近红外延伸至远红外。光谱范围宽，测量光强范围大，
范文二：光电信号处理习题1
光电信号处理习题1
1. 光电探测器按探测机理分为哪两类，各有何特点？
2. 分别画出主动、被动光电探测系统的结构框图，说明各部分的作用。
3. 什么是噪声？噪声与干扰有何不同？光电探测系统有哪些噪声？光电探测器有哪些噪声？
4. 简述等效噪声带宽的意义？与系统的频率带宽有何不同？
5. 简述放大器的En-In 噪声模型并说明意义。
6. 什么是噪声系数，证明放大器的噪声系数N F ≧1。
7. 证明最佳源电阻R sopt E n 。 I n
8. 简述噪声温度的物理意义。
9. 证明Friis 公式，并说明其在低噪声电路设计中的意义。
10. 耦合网络的低噪声设计有哪些原则？
11. 噪声测量与一般电压测量有何不同？
12. 画出正弦波法测量系统噪声系数的框图，说明工作原理。
13. 利用集成运算放大器设计低噪声运算放大电路时，选择器件有哪些基本原则？
14. 根据集成运算放大器的参数如何计算其输出噪声电压。
范文三：光电信号处理习题答案2008
光电信号处理习题——2008
1 光电探测器按物理原理分为哪两类，各有何特点？
一类是利用各种光子效应的光子探测器，特点是入射光子直接和材料中的电子发生相互作用，即光电子效应；一类是利用温度变化效应的热探测器，特点是基于材料吸收光辐射能量以后温度升高的现象，即光热效应。 2 分别画出主动、被动光电探测系统的结构框图，说明各部分的作用。 被动式：
主动式：需要有光源照射目标。
3 什么是噪声？噪声与干扰有何不同？光电探测系统有哪些噪声？光电探测器有哪些噪声？ 噪声：由于元器件内微观粒子随即的无规则运动产生的有害信号，称为噪声。
不同：噪声是来自元器件内部粒子；而干扰是指其他的有害信号，有系统外部的，也可以有内部的。 光电探测系统的噪声：光子噪声，探测器噪声，电路噪声。
光电探测器的噪声：热噪声，散粒噪声，产生-复合噪声，1/f噪声，温度噪声。 4 等效噪声带宽表示什么意义？与系统的频率带宽有何不同？
将噪声功率谱图按照面积相等变换成矩形，以最大噪声功率为高，则宽就是等效噪声带宽。 系统的频率带宽指在幅频特性曲线中高度为0.707倍峰值的两频率之差。 5 放大器的En-In 噪声模型并说明意义。
放大器的内部噪声可以用串联在输入端的零阻抗电压发生器En 和并联在输入端具有无穷大阻抗的电流发生器In 来表示。两者相关系数为r 。这种模型叫En-In 噪声模型。
意义：可将放大器看作无噪声，对放大器噪声的研究归结为分析En 、In 在电路中的作用。简化了电路系统的噪声计算。
6 什么是噪声系数，证明放大器的噪声系数NF ≧1。 噪声系数：输入端信噪比与输出端信噪比的比值。
P si
P no P /P P P ?P P no
， NF =(Ap 为放大器功率增益) NF =si ni =ni =si no =
P ni ?A p P so /P no so P ni P so ?P so ?
P ni ?P no
?P si ?
放大器的输出噪声功率P no 由两部分组成，一部分为P ni (信号源内阻热噪声)×A p ；另一部分为放大器本身产生的噪声在输出端呈现的噪声P n ；
P no =A p P ni +P n =P no 1+P n
，
所以噪声系数又为：NF =
A p P ni +P n P no P P
==1+n =1+n P ni A p A p P ni P ni A p A p P ni
一般情况下，实际Pn 不会为零，所以NF >1；理想情况下NF=1。得证。
7 证明最佳源电阻R sopt =En /In
2222222E ns +E n +I n R s E n I n R s
噪声系数有表示式：NF = (等效输入噪声比信号源噪声) =1++222
E ns E ns E ns
E n 2I n 2R s
而E ns =4KTR s ?f ，所以NF =1+，放大器一设计好，E n 、I n 就不变了，所以NF 只是R s 和+
4KTR S ?f 4KT ?f
?f 的函数。当R s 变化时，上式第二项减小，第三项增大，所以R s 变化时，存在极值，NF 对R s 求导：
22E n I n ?NF 1
=-2?+=0 ?R s R s 4KT ?f 4KT ?f
可得到当R sopt =En /In R sopt =
E n
时，NF 取得极值。为最小值。所以有最佳源电阻。 I n
8 简述噪声温度的物理意义。
放大器内部产生的噪声功率，可看作是由输入端连接一个匹配的温度为T i 的电阻所产生；或看成与放大器匹配的噪声源内阻R s 在其工作温度T 上再加一个温度T i 后，所增加的输出噪声功率。所以，噪声温度也代表相应的噪声功率。
9 证明Friis 公式，并说明其在低噪声电路设计中的意义。
假设一三级放大器，P n1、P n2、P n3分别为各级所产生的噪声功率，在各级输出端的体现。 三级放大器级联成为一个放大系统，此系统的噪声系数：NF 1,2,3=1+
P n
A p ?P ni
其中Pn 为三级放大器内部噪声功率在输出端的表现：P n =(P n 1?A p 2+P n 2) A p 3+P n 3 即：P n =A p 2?A p 3?P n 1+A p 3P n 2+P n 3 级联放大器的总功率增益：A p =A p 1?A p 2?A p 3 所以：
NF 1,2,3=1+
A p 2?A p 3P n 1+A p 3?P n 2+P n 3P n
=1+A p P ni A p 1?A p 2A p 3P ni
=1+
P n 1P n 2P n 3
++
A p 1P ni A p 1A p 2P ni A p 1A p 2A p 3P ni
=NF 1+
NF 2-1NF 3-1
+ A p 1A p 1A p 2
NF n -1NF 2-1NF 3-1
++ A p 1A p 1A p 2A p 1?A p 2 A pn -1
由此可以递推到n 级级联的放大器：NF 1,2 n =NF 1+
意义：由公式可以看出，多级级联的放大器，噪声系数的大小主要取决于第一级放大器的噪声系数；
所以设计低噪声放大器的时候，应尽量减小第一级放大器噪声系数，同时增大其放大倍数A p1。 10 耦合网络的低噪声设计有哪些原则？
设耦合网络的阻抗值为：Z cp =R cp +jx cp (并联阻抗) Z cs =R cs +jx cs (串联阻抗) (1)对于耦合网络中的串联阻抗元件：R cs
(2)对于并联阻抗元件：R cp
(3)为了减少电阻元件的过剩噪声(除热噪声外流过电阻的电流产生的一种1/f噪声) ，应尽量减小流过电阻的电流，或降低电阻两端的直流压降；
(4)减少元器件的使用数，采用简单耦合的方法，减少输出端噪声，尽可能采用直接耦合，消除耦合网络的噪声； 11 噪声测量与一般电压测量有何不同？
噪声的测量无法用电压表在输入端直接测量，都是在输出端测量。测出的总噪声是系统内部各噪声综合作用的结果。这是因为噪声值都非常小，而且分布在放大器的各个部分的缘故。 12 画出正弦波法测量系统噪声系数的框图，说明工作原理。
(1)将K 1、K 2都打在1点，调节正弦信号发生器，然后在测量仪表记录V o ，得出传输函数A vs ；(2)将K 1打到2点，在测量仪表处可得出总的噪声E no ；(3)由E ni =
2E ni
(4)由此得到噪声系数N F =10 lg 。
4KTR s ?f
E n 0
得出等效输入噪声； A vs
13 根据集成运算放大器的参数计算其输出噪声电压。
(1)
计算热噪声电压e nBB =e BB e
BB =在频谱密度图中查找；BW n 是热噪声带宽，BW n =fH ﹒K n ，f H 是上限截至频率，K n 是转换系数，一般为1.57； (2)计算1/f噪声
e fnorm =e at _f 1Hz 的噪声电压。其中：e at _f 为频率为f 时的噪声电压密度，在图中查找；f 为图
中最小的频率；e nf =e fnorm (3)
总的噪声输入电压：e n _v =
1/f的有效值，fH 为上限截至频率，取BWn ；fL 为下限频率，取0.1Hz ；
(4)噪声增益为Noise_Gain=1+Rf /R1；
(5)电流噪声转化为等效电压噪声源：e n _i =i n R eq ，R eq =R1//Rf ； (6)
运放电路的热噪声：e n _R =(7)
输出噪声电压：e n _o =，R eq =R1//Rf ；
。
14 利用集成运算放大器设计低噪声运算放大电路时，如何选择器件？有哪些基本原则？
为了满足噪声的指标，必须选用合适的有源和无源器件；在线路上配合使用， (1)有源器件的选用主要从源电阻和频率范围来考虑；
(2)电阻的选用，用过剩噪声较小的金属膜电阻或者线绕电阻，有时也用电感替代并联电阻，而且要考虑电阻工作的频率范围；
(3)电容的选用，实际电容还存在电感和电阻值，所以一般根据其频率范围选择；
(4)电感的选用，考虑三方面：发线圈导线的粗细，控制通电流的大小，可改变R 上的热燥和过剩噪声；线圈的L 和C 也可改变噪声；电感的空芯和磁芯。
(5)同轴电缆的选用，应尽量减小其噪声。
15 什么是信噪比改善？与噪声系数有何不同？ 信噪比改善是输出信噪比与输入信噪比的比值：SNIR =
输出信噪比S 0/N 0
＝
输入信噪比S i /N i
数学上看与噪声系数是倒数关系，但实质有区别：
噪声系数是对窄带噪声而言的，并且NF≥1，结论的产生是假设了输入噪声的带宽等于或小于放大系统的带宽； 实际上输入发噪声的带宽要大于放大系统的带宽，所以NF 有可能小于1，因此给出信噪比改善的概念。 16 说明双路消噪法的工作原理与特点。
原理：利用两个通道对输入信号进行不同的处理，然后用加法器将两路信号相加，设法消去共同的噪声，提高信噪比，得到有用的信号。
特点：只能检测微弱的正弦波信号是否存在，并不能复现波形。 17 画出取样积分器的原理框图，计算信噪比改善。 取样积分又叫Boxcar 方法。
对准周期的某一点，在每个周期的这一时刻，都进行采样，放入积分器中，消除掉随机噪声。若对每一点都这样处理，就可恢复信号波形。 信噪比改善：
P si V si 2
输入端信噪比：=2，输出端经过m 次取样并积分后，得到的信号是：V s0=mVsi ，噪声是随机的，且其均值
P ni V ni
2
为零，经过m 次取样并积分后，得到的是m 次功率相加，即：V n 20=mV ni
P s 0V s 2m 2V si 2V si 2P 0所以，输出端信噪比：=2==m 2=m si ，可得信噪比改善：SNIR= m
2P n 0V n 0mV ni V ni P ni
18 说明相关检测原理，画出自相关检测和互相关检测的原理框图。
原理：信号在时间上相关，而噪声在时间上不相关，根据这两种不同的相关特性，就可以把深埋于噪声中的信号提取出来。根据相关函数的性质，可以用乘法器，延时器和积分器进行相关计算，从而将周期信号从噪声中检测出来。 (1)自相关检测原理框图：
S i 为信号，n i 为噪声，通过延时器后在乘法器实现乘法运算：x(t) · x(t-τ)；
R (τ) =R xx (τ) ==
lim T →∞
lim T →∞
1 T
2
T x (t ) x (t -τ) dt ?T -2
1 T
2
T [S i (t ) +n i (t )][S i (t -τ) +n i (t -τ)]dt ?T -2
=R ss (τ) +R sn (τ) +R ns (τ) +R nn (τ)
上式中，由于R sn (τ)、R ns (τ)分别表示信号和噪声的互相关函数，由于信号与噪声不相关，故几乎为零，
而R nn (τ)代表噪声的自相关函数，随着积分时间的适当延长，R nn (τ)也很快趋于零。因此，经过不太长的时间积分，积分器之输出中只会有一项R ss (τ)，故：这样，便可顺利地将淹没在噪声中的信号检测出来。 (2)互相关原理图：
输入乘法器的是被噪声n i (t)所淹没了的信号S i (t)
即x(t)=ni (t)+Si (t)和被延时了的与被检测信号S i (t)同频率的参考信号y(t)，乘法器的输出为：
R xy (τ) = limT →∞
1 T
2
T x (t ) ?y (t -τ) dt =R ny (τ) +R sy (τ) ? -T 2
R ny (τ)是噪声与参考信号的互相关函数
R sy (τ)信号与参考信号的互相关函数，
参考信号和噪声是不相关的，R ny (τ) 随积分时间T 的延长而趋于零， 参考信号和信号是相关的，随积分时间T 的延长而趋于某一函数值R sy (τ) 19 画出典型的锁定放大器的原理框图，说明其工作原理。
工作原理：被噪声和干扰所淹没的信号首先经过低噪声前置放大器进行放大，然后再通过各类滤波器和陷波器将信号进行初步的予处理，将带外噪声和干扰尽量排除，再作进一步的放大，以便送到相关器进行检测；若被检测信号的频率不稳定，频率改变或漂移了，参考信号的频率也必须跟着改变，总是保持着两种信号的频率相等；参考信号
送入参考通道后，首先进入触发电路，产生和被检信号同频的方波，再经过移相电路进行移相，然后经过驱动电路功率放大后，再送达相关器去控制相关器的乘法器。参考通道和信号通道的输出在相关器中进行相关运算，最后检测出微弱信号。
20 分析相关器的数学解及物理意义？
开关式乘法器的输入信号为V s =V mA sin(ω t +?) 参考信号为对称方波，且：ω2=ωR , V R =
，
4
π
∑
n =0
∞
1
sin[(2n +1) ωR t ] 2n +1
∞
那么乘法器的输出：V 1=V s ?V R =
4
π
V mA sin(ω t +?) ∑
n =0
1
sin[(2n +1) ωR t ] 2n +1
dV 0V 0V
+=-1 dt R 0R 1
即积分器的输入电压V 1。若输出为V 0，则它们满足微分方程：C 0
-t
R 0C 0
最后得到V 0的解：V 0(t ) =e 数学解的物理意义：
? t V 1R t C ? t V 100? ?-e dt +??
0R C 0R 0C 0?00??
2R 0
?V cos ?包含了相敏检波的意πR 1mA
(1)输入信号与参考信号频率的基波相等时，即ω=ωR ， 且t >>T c ，V 0=-
义，V 0R 0
是近似积分器(或低通滤波器) 的直流放大倍数(或直流增益) ； R 1
(2)当输入信号为参考信号的偶次谐波时，即ω=2n ωR 且时间常数T c =R0C 0取足够大，使ωR R 0C 0>>1，则V 0=0即相关器能抑制偶次谐波；
(3)当输入信号为参考信号的奇次谐波时，即ω=2(n +1) ωR 且时间常数T c =R0C 0取足够大，使ωR R 0C 0>>1 T ?R 0C 0时，V 0=-
2R 0V mA
cos ?
πR 1(2n +1)
2R 0
V ≡V mA 0 πR 1mA
当n=0时，即为基波的输出，基波的振幅为
2n+1次谐波的振幅为：
V 2R 0V mA 1
?记作 V mA (2n +1) ，则mA 2n +1=
πR 12n +1V mA 02n +1
(4)若输入信号频率偏离奇次谐波一个微小量?ω， 即：ω=[(2n +1) ωR +?ω] (n =0, 1, 2, ) 当ωR R 0C 0>>1, t >>
R 0C 0(T c ) ，V 0=-
2R 0V mA ??πR 1(2n +1) φ2n+1代表奇次谐波与参考信号的相位差。
21 分析锁定放大器中同步积分器的数学解及物理意义？ 同步积分器的数学解是：
V
(1)0
=RI im
+
2RI im
π
∑
L =1
∞
-
1?L t
+?-2RC 1-e ?2RI im ?
RI +?im
π??
∑
L =1
∞
1
L
???
-+?
?
?
式中：L=(2n+1)，n=0，1，2，3…即L 为奇数θe -=arctg [2RC 1(ω-L ωR )]?
θe +=arctg [2RC 1(ω+L ωR )]??
结果分析：
分成二部分：稳态响应和暂态响应， 稳态响应又分为二部分：一部分为信号频率，另一部分为信号频率与参考频率的奇次谐频的和频、差频的无穷级数。 物理意义：
积分时间常数T i =2RC1，在上式各项分母中都含有2RC 1ω： 2RC 1ω=Ti ·2π/T=2πTi /T (T为信号周期且ω=2π/T)
T
令n =i n 是信号在T i 时间内的积分次数，物理意义是指信号对电容C 1充电的(积分) 等效次数，因此有：
T
θ=arctg 2RC 1ω,
T i
2π
=2n π T
实际使用时，n 一般为10-108次，所以： 2RC 1ω>>1，
可将分母中含有2RC1ω和
2RC1(ω+LωR)的各项作为小项而略去，于是结果简化为：
V 0(1)=
2RI im
π
∑
L =1
∞
--2RI im -2RC 1∞e ∑πL =1t
对于C 2构成的积分器也得到同样的结果， 所不同的只是相差一个负号：V 0(2)=-V 0(1)
V 0是由V 0(1)和V 0(2)通过同步开关交替地接到负载RL 上去的输出电压。 设负载阻抗R L >>R，则交流输出电压V 0： V 0=
1(1)1
[V 0+V 0(2)]+x [V 0(1)-V 0(2)] 22
当x=1时，V 0= V0(1) 当x=-1时，V 0= V0(2)
一般，C 1=C2=C，则有V 0(1) =-V0(2)，所以：V 0=V 0(1)?x
同步积分器的输出： 与参考信号频率相同的方波 方波的幅度值：V om = V0(1) 22 分析锁定放大器中旋转电容滤波器的数学解及物理意义？ 通过电路计算得正半周的振
幅输出为：
V (t ) =
+0m
2I m R
π
∑
n =0
∞
1???
?
2n +1???-t ?e RC +
??????
+)
-)
负半周与正半周输出相差180度，总输出V0(t)是通过同步开关交替地把V 0(m (t ) 和V 0(m (t ) 接至负载R L 。
若设RL>>R，则：V 0(t ) =
+) -) 因为 V 0(m (t ) =-V 0(m (t )
1(+) 1-) +) -)
[V 0m (t ) +V 0(m (t )]+p (t )[V 0(m (t ) -V 0(m (t )] 22
+)
所以：V 0(t ) =V 0(m 1的开关函数 (t ) p (t ) 式中p(t)是振幅为±+) 因此V 0(t)是一串振幅为V 0(m (t ) 的交流方波。
23 画出光子计数器的原理框图，说明其工作原理。
工作原理：PMT 阴极接受光辐射，进行光电转换后，再经过打拿极放大，输出至阳极。阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出，经过放大器信号放大后送到鉴别器，鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗电流和干扰，计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。
24 光子计数器对光电倍增管、放大器、鉴别器、计数器性能有何要求。
光电倍增管：要求增益高，暗电流小，噪声低，时间分辨率高，量子效率高，较小的时间上升和下降沿。要有明显的单光子响应峰；
放大器要求：与光电倍增管连接的前置放大器要求要是低噪声宽带放大器；
鉴别器：能将光子产生的脉冲电压鉴别出来，而将倍增极热电子发射产生的小脉冲去掉。通常需要两次测量去除；还要求在高计数率的的测量中，对脉冲幅度是正常光子脉冲2倍的双光子脉冲要输出两个脉冲供计数器计数。
计数器：
25 如何根据光功率的大小选择光电信号检测方法？
对于光功率较高，信噪比较大的光信号的检测，可以设计低噪声的集成运放和低噪声的耦合网络来直接检测。而对于光功率较弱，信噪比较低，甚至信号功率埋入噪声功率中的信号，应该采用相应的方法将信号和噪声分离来检测信号，主要方法有：窄带滤波法，双路消噪法，同步累积法，锁定接受法，取样积分法，相关检测法。 26. 输入噪声密度为ρ=
ρ0
f
，计算其通过一带宽为B =f 2-f 1、传输系数为Kv 的理想滤波器后的噪声输出电压。
见第三章3.2节1/f噪声计算
范文四：光电检测及信号处理相关
全面而详细地介绍和分析了光电检测电路、信号处理、噪声等相关知识。来源:多篇拼凑。 2012-10收集整理 by 侯鹏庆 @NEU
光电检测电路及信号处理相关知识总结
几大主要部分 光电检测电路的设计要求 光电信号输入电路的静态计算 光电信号检测电路的动态计算 光电信号检测电路的噪声 前置放大器等
通常的光电检测电路组成
一、光电检测电路的设计要求
根据光电信号的性质、强弱、光学的和器件的噪 声电平以及输出电平和通频带等技术要求来确定电路的连接形 式和电路参数,保证光电器件和后续电路最佳的工作状态。使 整个检测电路满足下列要求:
1. 灵敏的、较强的光电转换能力:光电灵敏度。
2. 快速的动态响应能力:频率响应及选择特性。
3. 最佳的信号检测能力:信噪比 (SNR)、等效噪声功率 (NEP)。
4. 长期工作的稳定性和可靠性:
二、光电信号输入电路的静态计算
静态计算法是对缓慢变化的光信号采用直流 电路检测时使用的设计方法,由于光电检测器件 的非线性伏安特性,所采用的方法包括三线性电 路的图解法和分段线性化的解析法。按照伏安特 性的基本性质可分为三种类型:恒流源型、光伏 型和可变电阻。下面以光电二极管或光电池为线 索分别介绍各种工作状态下的电路计算方法。
161284
mA
i /
V
1200800400
uA
i /V
543210
mA
i /V
/光电倍增管 光电二极管 光电三级管
1 恒流源型器件光电信号输入电路
在工作电压较小时,曲线呈弯曲,存在一个转折点 M , 随电压增大,输出电流变化不大,趋于恒流。与晶体管集电 极特性曲线类似,可以采用晶体管放大器类似的方法分析。 区别在于光电流控制输出电流,而光电流是由输入光功率控
1、图解计算法:利用包含非线性元件的串联电路的图解
b
Q ?+Q
I I
??U
?+U ??
o
()L
b IR U I U ?=负载线方程:
R L
Φ
U ?m 负载线与对应输入光通量为
Φ0时的器件的伏安特性曲线交点 Q ,即为输入电路的静态 工作点,当Φ0改变ΔΦ时,在负载电阻 R L 上产生的 电
压信号输出和 的电流信号输出。
I ?±
图解法适用于大信号状态下的电路分析, 在大信号状态下,可定性地输出信号的波形 畸变。在做光电开关情况下,可借助图解法 合理地选择电路参数,如最大工作电流、最 大工作电压和最大耗散功率。
图中给出了 U b 不变时, R L 的大小对输出信号的影响:输入光通量变化时,负载 电阻的减小会增大输出信号电 流,而减小输出电压。同时负 载电阻的减小会受到最大工作 电流和功耗的限制。而过大的 R L 又使输出负载线进入非线性 区,使输出信号波形畸变。
o
o
i 3
L R 图解法的应用:
1、负载电阻的影响分析:
图解法的应用: 2、偏置电压的影响分析:
o
?Φ3b
2
b
1b
o i
o
图中给出了 R
L
不变时, U b 的大小对输出信号的影响:当偏置电压增大时,输出 信号电压幅度也随之增大,线 性度得到改善,但电路的功耗 随之加大,过大的偏置电压会 引起光电二极管的反向击穿。
利用图解法确定输入电路的负载电阻和反向偏 置电压大小时,应根据输入光通量的变化范围和输 出信号的幅度要求使负载线稍高于转折点M,以便 得到不失真的最大电压输出,同时保证反向偏压不 大于器件的最大工作电压U
max
。
1. 由ΔΦ和ΔI选择R L 和U b 超过转换点M,以便有最 大不失真电压输出。
2. 同时保证U b 不大于器件最大工作电压U max
2、解析计算法:对光电器件的非线性伏安特性进行分段 折线化,称为折线化伏安特性。
折线化的画法一
arctan G
U
折线化的画法二 折线化的画法
arctan G 折线化伏安特性可用下列 参数确定:
①转折电压 U 0— 对应于曲线 转折点M处的电压值 。
②初始电导G 0— 非线性区近 似直线的初始斜率 。 ③结间漏电导G — 线性区各 平行直线的平均斜率 。 ④光电灵敏度S — 单位输入 光功率所引起的光电流值 。
I S p
=
光电灵敏度的表达式:
P为输入光功率 I p 为对应的光电流
折线化的分析原则:
利用折线化的伏安特性, 可将 线性区内任意 Q 点处的电流值 I 表示 为两个电流分量的和:
arctan G
()p
d Q I I U f I +
=Φ=, I d --为与二极管端电压U成正 比,由结间漏电导形成的无光照 电流(暗电流)。
I p — 为与端电压无关,仅取决于 输入光功率Φ的光电流。有:
那么理想的光电二极管等效 电路可表示为:
Φ
+=+=S GU I I I p d
折线化伏安特性的分析:
在输入光通量变化范围Φmin ~Φmax 为已知的条件下,用
1、确定线性工作区域:
=arctan G 由最大输入光通量的伏安曲 线弯曲处即可确定转折点M。相 应的有转折电压U 0和初始电导 G 0,在线段MN有关系:
max
000Φ+=S GU U G 由此可得:
G
G S U ?Φ=
0max
00
max
0U S G G Φ+
=或
2、计算负载电阻和偏置电压:
=arctan L
I I ?为保证最大线性输出 条件,负载线和与对应的 伏安曲线效点不能低于转 折点 M 。设负载线通过 M 点,可得关系:
()0
00U G G U U L b =?当U b 已知时,可得负 载电导G L 或电阻R L :
max 01max 000S b b L L U S U U U G R G Φ??Φ=?==当R L 已知时,可得偏置电源电压U b 为:
()G G G G G S U L b ?+Φ=
00max
3、计算输出电压幅度:
=arctan L
I I I
?在输入光通量由Φmin 变化到 Φmax 时,输出电压幅度为:
max U U U ?=?由图中M和N点电流 值计算:
()H S GU U U G b L :min max max Φ+=?()M
S GU U U G b L :max 00Φ+=?联合求解:
L b L G G S U G U +Φ?=min max L
b L G G S U G U +Φ?=
max
0求得ΔU:
L
L G G S
G G S +=+Φ?Φ=min max
3、计算输出电流幅度:
=arctan L
I I ?输出电流幅度:
U
G I I I L ?=?=?min max L
L G G S
G G S U +?Φ
=+Φ?Φ=?由下式
可得:
L
L G G S
U G I +Φ?Φ=?=?1min
max 通常
,上式可简化为:G G L >>()?Φ
?=Φ?Φ?=?S S I min max
4、计算输出电功率:
=arctan L
I I ?由功率关系:
U
I P ???=可得:
()
????
???
?+?Φ=?=???=L L L G G S G U G U
I P 2
2 光伏型器件光电信号输入电路
V
/-0.4-0.6-0.8
光伏型器件伏安曲线
等效电路
光伏型器件伏安曲线如图示, 位于第四象限,器件的端电压 U 和电 流 I 的方向相反,具有赋能元件的性 质。这类器件主要是光电池和 光电 池工作状态下的光电二极管 。
p
U s I e
I I
T
??=) 1(光电池输出电流有下列形式:
将光电池的伏安特性转到第一 象限,即规定电流的正方向,则 伏安特性可表示为:
)
1(??=T
U s p e I I I 或
()s
s p T I I I I U U +?=ln
1、光伏型器件输入电路的形式:
无偏置型、反向偏置型和太阳能电池充电电路 2、无偏置输入电路的静态计算
L R I
电路方程:
L
L
R I U ?=()
1
??=T
U s p e
I I I
负载线与给定光通量Φ0对应
的伏安曲线的交点即为工作点Q。Q 点对应的U和I即为R L 上的输出电流 和电压。光通量变化时形成相应的 输出电流变化和输出电压变化。
±
光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析:
I
1
I ?
O
2
0=
R
L 如图中光通量从Φ1增加到Φ2时,
在短路状态R
L
=0时,输出电流增量Δ
I=I
sc2
-I
sc1
,输出电压为0。随着R
L
的增
大,电压增大。负载进一步增大,电
压饱和,电流变小。也就是说存在一
个临界电阻R
M
,经过R
M
之后,负载上电
压变为饱和,输出电流逐渐减小。
当处于最佳临界负载R
M
时,
光通量较小时,负载上输出电流
和电压近似随光通量成正比增
加,而当光通量较大时,输出电
流和电压逐渐呈现饱和。负载越
大情况越明显。
R L
U 、 I 、 P
R M O
另外,可以定量地描述负载电阻和入射光通量对电 路工作状态(U、I、P)的影响:
s
s
L
p T I I U
I U U +?=ln
()
1
??=?T
L R I s p e I I I s
s
p L
I I U
I R U
U U I P +??=?=ln
1
I I
?O
2
=R 负载电阻不同时,光电池有几个工作状态,如图示 1、负载电阻较小时,即I区 间。光电池处于短路或线性电流 放大,可实现电流变换。后续电 流放大级可从光电池中吸取最大 的输出电流。光电流与光通量有 良好的线性关系:
(Φ
===??=→?S I I e
I I I sc p R R I s p L T
L 0
1
?Φ
?=?S I 和
优点:在短路状态下,器件噪声电流较低,改善信噪 比,适于微弱光信号检测。同时与受光面积成正比。
1
I I
?O 2
=R 2、负载电阻较大时,即IV 区间。光电池处于断路或空载电 压输出,实现一种非线性电压变 输出开路。输出电压:
s
T s p T s
s
p T oc I S U I I U I I I U U U Φ
?=≈+==ln
ln ln
优点:光电池输出电压的变化不需加偏置电源即可组成控
制电路,实现光电开关作用。且较小光通量即可实现较大开路 电压的变化,对弱光检测有利。但容易受温度影响,频率特性 不理想。输出电压小。输出电压与受光面积的对数成正比。
V
U oc 6. 0~45. 0=
3、在II区间,可得到线性电 压输出,在串联的负载电阻上得 到与输入光通量近似成正比的信 号电压,负载增大可提高输出电 压。但超过 R M 值时输出信号发生 非线性畸变。 1
I I
?O 2
=R R M 值的确定:
()1??=?T
L
R I s p e I I I
???
????
?+????
????+?Φ=L T L s T L U IR ! I U IR S I 21
1已知I s <>
输入光功率Φ成线性关系I=SΦ,则要求:1
<>
L
U IR 已知最大允许光电流I M ,相应的光通 为ΦM 时,可得到输出最大线性电压的 负载R L 应满足:
M M
L I U R R <>
S m V Φ=
26
1
I I
?I O 2
=R 对应于Φmax ±ΔΦ的输入光功 率变化时,负载上电压信号变化 为:
m ax
2626Φ?Φ
=?ΦΦ=?=?m V
S S m V I R U M
M
M 在线性关系要求不高情况下,可由经验数据,利用图解 法简单地得到临界负载电阻R M 的值和电阻上电压U M :
m ax
7. 0Φ≤
S U R M
U oc 对应最大的输出电压。
oc
M M M U I R U 7. 0=≈
3 可变电阻型器件光电信号输入电路
L
图解法伏安曲线
光敏电阻的一般电路如右
图。其阻值随输入光通量改变的 伏安特性如右下图。
光敏电阻的阻值表示为:
d
p G G G R +=
=11利用图解法分析光敏电阻
输入电路如图示。在建立负载线 之后即可确定对应于输入光通量 Φ1~Φ3变化的输出信号。
L
L b L R I U U ?=
利用解析法分析光敏电阻输入电路
按照线性电路规律,依图有:
; R R U I L
b
L
+=b
L
L
U R R R U +=
L
Φ
当光通量变化时,光敏电阻变化ΔR ,引起 负载上输出电流ΔI 和输出电压ΔU 的变化:
R
R R U I
L
b
L
?+?=
?2
Φ
?=+=
S G G G
R p
d
p
, 1
又 ?Φ?=+?Φ??=?S R G G S R d p 2
2
所以 ?Φ+=?2
2
L b R R S
U R I
即有:?Φ+=?=?L L b L L L R R R S U R I R U 2
2
和
光敏电阻的两种工作状态 1)恒流偏置
2
)恒压偏置 L
b L R U I =当 R L >>R时,
L
?Φ????
????=?2
L b L R R SU I ?Φ+=
?2
2
L R R R I 负载电流与光敏电阻阻值无关,近似保持常数。表明:输出 信号取决于光敏电阻和负载电阻的比值,与偏压成正比。电路信 噪比高,适于高灵敏度测量。但偏置电压高达 100V 以上。通常用 晶体管实现恒流偏置。 ?Φ=?L b L R SU U 选取 R L <>
阻上的电压近似为电源电压 U b ,与 R 无关。 输出信号电压为:
?Φ+=?=?L L b L L L R R R S U R I R U 2
2适用于检测器本身噪声较大时。
T R T R 电桥输入电路
1
221R R R R T T =电桥在无辐射照射时, 输出电压U o 等于0。
电桥在有辐射照射在R T1温度升高引起电阻变 R
R R T ?+=011 此时电桥失去平衡,有电压输出为:
()2210122
22101010R R R R R R R U R R R U R R R R R U U T b T T b b ++?+?=
+?+?+?+=在弱辐射作用下,ΔR
则:R
R R R U U b
?+=
2
00可求得在 R=R0
时,
U 0有最大值:
R
R U U b
?=
4m ax , 0
光电信号检测电路的动态计算
光电检测电路接收交变光信号时,与缓变光信号 相比,交变信号有更丰富的频率分量,信号微弱时 还需要多级放大等。与检测电路的设计不同,在分 析和设计交变光信号检测电路时,需要解决下面的 动态计算问题:
1、确定检测电路的动态工作状态,使交变光信 号作用下负载上能获得最小非线性失真的电信号输 出。
2、使检测电路具有足够的频率响应,以能对复 杂的瞬变光信号或周期光信号进行无频率失真的变 换和传输。
1 光电信号输入电路的动态计算
为提供光电检测器件正常的工作条件,首先要在 交变光信号输入电路中建立直流工作点。另一方面要 考虑后续电路的等效输入阻抗与输入电路直流负载电 阻的并联。
下面分别以光电二极管和光电池为例介绍其交流 检测电路的动态计算方法。
o
U
i
Q
I
Q m
Q I I +m
Q I I ?m Q
U U
?m
Q
U
U
+b
1) 光电二极管交流检测电路
c
C 检 测 电 路
交变光信号输入光照度:
t
E E e m ωsin 0+=交流信号视电容短路,负载为R b 和R L 并联,画交流负载线,通过 M点,以便充分利用线性空间。 交流负载线与E 0的伏安特性交点 为Q点,通过Q点图解可以得到R b 和U b 。
o
U
i
Q
I Q m
Q I I +m
Q I I ?m Q
U U
?m
Q
U
U
+b
在三角形MHQ中,交流负载线MN的斜率G L +Gb 。交流负载电流峰 值为I m ,有: 下面计算负载R L 上(或后续电路输入阻抗)的输出电压和输 出功率值。
b
L m
m G G I U +=
由交流负载线MN有电流关系: 可得:
m m E m GU E S I ?=G
G G E S U b L m
E m
++=
负载电阻R L 上输出功率P L 为:
2
2
2121212
121??
????++====G G G E S G U G U I U I P b L m E L m L m
L m L L
上式中对R L 求偏微分,计算最大功率输出下的负载电阻 R L0(推导过程略),可得:
G
G G b L +=0称为阻抗匹配条件。此时负载上输出电压峰值U m0、 最大输出功率有效值P Lm 和输出电流峰值I L0为:
02L m E m G E S U
=
c
C ()
20
00
2
218m L L m E Lm U G G E S P ==
m
E m Lm L E S P I 2
1
20
0==
下面求解最大功率输出条件的直流 偏置电阻 R b0和电源电压 U b ,由解析 法计算, Q 点的电流值由伏安特 性,可知:
E S GU I E Q Q +=由负载线得:
()b Q b Q G U U I ?=由两式得:
b
E b b Q
G G E S U G U +?=
0另外,在电压轴上 Q 点处的 电压 U Q 为:
M
b M m Q U G G E S U U U ++=+=20
o
Q
I Q I I +m
Q I I ?由 U Q 的两个式子可计算出 G b0或 R b0为:
()M b M m E b U U GU E E S G ?++=
22200
或
()M
m E M b b GU E E S U U R 22200
++?=
c
C i
O
Q
I )
L G +2) 光电池交流检测电路
直流负载线是通过原点且斜率为 G b 的直线,与E=E0的伏安特性相 交于Q点。
交变光信号输入光照度:E E e m sin 0+=oc
m Q M U U U U 7. 0≤+=交流负载线通过Q点,斜率为 G b +GL ,与最大光照度伏安特 性交于M点。
M点的电压U M 应满足:
Q I I ?Q I I +
Q
I Q U
i
Q I I ?Q I I +m
Q U U
+m
Q U U ?)
L G +在最大功率输出条件下的输出电压、 功率和电流的表达式:
与光电二极管的解析计算过程类似,可求得对光电池交流 检测电路有最大功率输出的条件为:G L =Gb =GL0
c
C
2L m E m G E S U
=
()
2
002
2
18m L L m E Lm
U G G E S P ==m
E m Lm L E S P I 2
1
200
==最大功率输出条件的直流偏置电阻 的数值可计算为:
m E M
L b E E S U R R +=
=00022
光电信号检测电路的动态 计算
光电检测电路接收交变光信号时,与缓变光信号 相比,交变信号有更丰富的频率分量,信号微弱时 还需要多级放大等。与检测电路的设计不同,在分 析和设计交变光信号检测电路时,需要解决下面的 动态计算问题:
1、确定检测电路的动态工作状态,使交变光信 号作用下负载上能获得最小非线性失真的电信号输 出。
2、使检测电路具有足够的频率响应,以能对复 杂的瞬变光信号或周期光信号进行无频率失真的变 换和传输。
1 光电信号输入电路的动态计算
为提供光电检测器件正常的工作条件,首先要在 交变光信号输入电路中建立直流工作点。另一方面要 考虑后续电路的等效输入阻抗与输入电路直流负载电 阻的并联。
下面分别以光电二极管和光电池为例介绍其交流 检测电路的动态计算方法。
o
U
i
Q
I
Q m
Q I I +m
Q I I ?m Q
U U
?m
Q
U
U
+b
1) 光电二极管交流检测电路
c
C 检 测 电 路
交变光信号输入光照度:
t
E E e m ωsin 0+=交流信号视电容短路,负载为R b 和R L 并联,画交流负载线,通过 M点,以便充分利用线性空间。 交流负载线与E 0的伏安特性交点 为Q点,通过Q点图解可以得到R b 和U b 。
o
U
i
Q
I Q m
Q I I +m
Q I I ?m Q
U U
?m
Q
U
U
+b
在三角形MHQ中,交流负载线MN的斜率G L +Gb 。交流负载电流峰 值为I m ,有: 下面计算负载R L 上(或后续电路输入阻抗)的输出电压和输 出功率值。
b
L m
m G G I U +=
由交流负载线MN有电流关系: 可得:
m m E m GU E S I ?=G
G G E S U b L m
E m
++=
负载电阻R L 上输出功率P L 为:
2
2
2121212
121??
????++====G G G E S G U G U I U I P b L m E L m L m
L m L L
上式中对R L 求偏微分,计算最大功率输出下的负载电阻 R L0(推导过程略),可得:
G
G G b L +=0称为阻抗匹配条件。此时负载上输出电压峰值U m0、 最大输出功率有效值P Lm 和输出电流峰值I L0为:
02L m E m G E S U
=
c
C ()
20
00
2
218m L L m E Lm U G G E S P ==
m
E m Lm L E S P I 2
1
20
0==
下面求解最大功率输出条件的直流 偏置电阻 R b0和电源电压 U b ,由解析 法计算, Q 点的电流值由伏安特 性,可知:
E S GU I E Q Q +=由负载线得:
()b Q b Q G U U I ?=由两式得:
b
E b b Q
G G E S U G U +?=
0另外,在电压轴上 Q 点处的 电压 U Q 为:
M
b M m Q U G G E S U U U ++=+=20
o
Q
I Q I I +m
Q I I ?由 U Q 的两个式子可计算出 G b0或 R b0为:
()M b M m E b U U GU E E S G ?++=
22200
或
()M
m E M b b GU E E S U U R 22200
++?=
m Q U U ?
c
C i
O
Q
I )
L G +2) 光电池交流检测电路
直流负载线是通过原点且斜率为 G b 的直线,与E=E0的伏安特性相 交于Q点。
交变光信号输入光照度:E E e m sin 0+=oc
m Q M U U U U 7. 0≤+=交流负载线通过Q点,斜率为 G b +GL ,与最大光照度伏安特 性交于M点。
M点的电压U M 应满足:
Q I I ?Q I I +
Q
I Q U
i
Q I I ?Q I I +m
Q U U
+m
Q U U ?)
L G +在最大功率输出条件下的输出电压、 功率和电流的表达式:
与光电二极管的解析计算过程类似,可求得对光电池交流 检测电路有最大功率输出的条件为:G L =Gb =GL0
c
C
2L m E m G E S U
=
()
2
002
2
18m L L m E Lm
U G G E S P ==m
E m Lm L E S P I 2
1
200
==最大功率输出条件的直流偏置电阻 的数值可计算为:
m E M
L b E E S U R R +=
=00022
2 光电检测电路的频率特性
光电器件的自身惯性和检测电路的耦合电容、分布电容等 非阻性元件的存在。使光电检测电路需要一个过渡过程才能对 快速变化的输入光信号建立稳定的响应。在检测技术中常采用 频域分析法。
在光电器件以各种耦合方式和电路器件组成检测电路时, 其综合动态特性不仅与光电器件本身有关,而且主要取决于电 路的形式和阻容参数,需要进行合理的设计才能充分发挥器件 的固有性质,达到预期的动态要求。描述检测器件频率响应通 道的参数是通频带ΔF,它是检测电路上限和下限截止频率所包 括的频率范围。ΔF愈大,信号通过能力愈强。
本节以器件等效电路为基础,介绍检测电路的频率特性, 并给出根据被测信号的技术要求设计检测电路的实例。
范文五：光电探测与信号处理
光电探测与信号处理试卷
考试时间2012年11月27日
一、填空题（20分）
1.
2.
3.
4. 一波长为555纳米的点辐射源，功率为5mW ，在空间一点的发光强度为______，距离辐射源0.5米处的光照度为______。一黑体辐射峰值波长为1605nm ，其温度为______,总的辐射功率为_____。一器件的比探测率D*为（已知），光敏面面积Ad （已知），探测带宽?f 为10HZ ，则它的最小可探测功率P 为_____。器件在波长为（已知），功率为Φ（已知）的辐射照射下，输出电流为I
（已知），则它的量子效率为_____。
二、简答题（20分）
1.
2.
3. 比较光电导探测器和光伏探测器的差别。最佳源电阻的表达式及其物理意义。热释电探测器的工作原理。
4. 解释光外差效应的原理。
三、计算题（50分）
1. 硅光电池，在100lx 光照下Voc=400mV,ISC=30μA, 若输入光照度
E =150+50sin ωt (lx ) ，最大功率输出时的偏置电阻，最大功率PLmax 。
2.
3. 已知F1=（已知），F2=（已知），F3=（已知），Kp1=（已知），Kp2=（已知）, ，求Eni 。画出锁相放大器的工作原理框图，描述其工作原理。若参考信号频率
200Hz ，待测信号幅值1V ，积分器的直流增益为10，求以下信号输入时
的系统输出：
a)
b)
c)
4.
波形，包含V A =V Am sin(600πt +180) ，Vo=？V A =V Am sin(400πt +60) ，Vo=？V A =V Am sin(800πt +180) ，Vo=？画出双沟道双相CCD 的结构示意图，叙述其电荷耦合原理，画出其输出。Φsh , Φ1, Φ2, ΦR , V out
四、设计题（10分）
设计一光电探测系统测量直径为20mm 的圆柱体的直径，要求画出原理框图，详细叙述其原理，并解释那些因素会影响其测量精度。
声明
这是2012年华中科技大学测控及光电相关专业光电探测与信号处理试卷，题目由本人根据今天考试默写，具体数值不清楚但都有标注，重在说明考试题型。郑重警告，切勿用作商业用途传播！
2012年11月27日
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