光电子电路设计第一章2011(上)

考核成绩
平时 期末考试 30% 70%
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主要内容
传感器 前置放大器 主处理电路 人-机界面
偏置电路
（低噪声、高增 益、宽带宽、高 输入阻抗、低输 出阻抗）
（有源滤波 调制与解调 A/D、 S/H）
主要介绍光电技术领域中应用的电子线路
放大器（低噪声放大器、微电流放大器、程控增益放大器） 光电探测器的偏置与放大电路 有源滤波器 调制与解调器 光电信号的数字处理 电源（小功率高压稳压和大功率稳流电源）
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金属膜电阻 用一支瓷管上利用真空喷涂技术在上面喷涂一层金属 膜（一般采用Ni-Cr），并在金属膜用摩擦、激光或车上 螺旋纹，内部构造与炭膜电阻相同，只是将炭膜换成金属 膜，并且在瓷棒两端镀上贵金属引出管脚。 阻值一般在1Ω～620MΩ之间， 功率在0.125W～5W 特点是耐热，稳定性和温度系都 优于碳膜，体积小，精度高，可达0. 5%～0.05%。噪声指数在-32～-16d B之间，但价格贵一些。 多用于要求较高的应用电路中。
2 K 2 I DC R 2 E ，其中K 2：常数，与制作相关 f 2 ex
过剩噪声的特点
I DC：流过电阻R的直流电流
过剩噪声功率与频率倒数成正比 过剩噪声电压与流过电阻的电流成正比
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噪声指数NI：用于表征过剩噪声的大小，表示电 阻两端每1V直流电压在10倍频程内产生的均方根噪声 μV值
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水泥线绕电阻 将线绕电阻器放入长方形的瓷框内，用特殊的不燃耐热 水泥充填密封而成，也称为水泥电阻。
阻值一般在1Ω～200KΩ之间，功率 在0.5W～50W 与普通线绕电阻相比，耐高功率、 散热性好、稳定性。但体积较大 电源和功率电路中
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片状电阻 采用高稳定金属膜在陶瓷基体上蒸发制成。
阻值一般在0.5Ω～1MΩ之间，功率 在1/32W～3W 与普通金属膜电阻相比，体积小、 无引脚，高精度、高稳定、温度系数小， 高频特性好。 计算机、通信、家电等各种小体积 电子产品中
光电子电路设计
北京理工大学光电学院
本人联系方式
高 昆
北京理工大学6教433
gaokun@
68912560-803
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课程目的与考核方法
目的
主要根据光电成像技术遇到的输入光信号极其微弱的 特点，介绍光电器件常用的电子线路的设计方法和信号获 取、处理的基本方法。
先修课程
模拟电子技术、数字电子技术、电路原理
如：RJ72 • R表示电阻 器（主称） • J表示金属 膜（材料） • 7表示精密 电阻（分类） • 2表示生产 序号 • 整个符号表 示精密金属 膜电阻器。
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炭质电阻 用碳质颗粒导电物质(碳黑、石墨)作导电材料,用云母粉、 石英粉、玻璃粉、二氧化钛作填料，另加黏合剂经加热压制 而成。按照黏合剂的不同，分为有机实芯和无机实芯电阻器。 阻值范围和功率范围与炭膜类似 特点是非常廉价，无机实芯电阻器 温度系数较大、可靠性较高，有机实芯 电阻器过负荷能力强。但无机实芯电阻 器阻值范围小，有机实芯电阻器噪声大、 稳定性较差、分布电容和分布电感大。 噪声指数在-12～-6dB之间 现已逐步被其它膜式电阻取代
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散弹噪声的特点
属于白噪声 与电流流过位垒（半导体的PN结、电子管阴极表面） 有关
典型的位垒
如：双极性晶体管发射结（e-b）的伏安特性
I e I 0 (e
qU eb kT
1)其中
I e：发射结电流 I 0：反向饱和电流 U eb：发射结电压 k：玻尔兹曼常数
PNP型晶体管的结构示意图及符号
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集成电阻 采用高稳定金属膜在陶瓷基体上蒸发或溅射而成的高精 度电阻网络。
阻值一般在51Ω ～ 33KΩ之间，功率在1/8 W～5W 高精度、高稳定、 低噪声、温度系数小， 高频特性好，但阻值范 围较小 计算机、仪器仪表 及特殊要求的电路
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电阻的色环标识
棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 黑 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0
普遍存在于各种形式的电阻中，是电阻性元件的底 限噪声 热噪声功率分布是均匀的，属于白噪声 11
减少热噪声的手段有
减小电阻 在满足信号频谱正常通过的前提下，尽量缩小放大器 带宽 电阻器件应尽可能在低温下工作或保持良好散热
电阻热噪声的等效电路
[注]由于噪声的相位 是随机的，因此这里 不必要标出等效信号 源的参考方向
2 2
★
7
3. 噪声的统计特性
噪声电压属于随机过程，处于稳态时的概率分布规律是 一致的，属于平稳随机过程。引入相关函数R(τ)
1 R( ) lim T 2T

T
T
x(t ) x(t )dt
平稳噪声相关函数的特点 仅与时延τ有关，与起始时间点无关 R(τ) 随τ增加而衰减，衰减越快说明随机过程在时间 上的相关性越小 τ=0时刻的R(τ) 有最大值 x2
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参考教材
作者： 胡士凌，孔得人 出版机构：北京理工大学出版社 ISBN：7-81045-138-3
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第一章
低噪声放大器
由于背景和探测器自身的噪声，光电探测器输出的 电信号信噪比很低，在经过放大器时不仅要具有足够的 放大增益，还要将放大器引入的噪声降至最低。
一．噪声的基本概念
1. 噪声定义
广义噪声：指扰乱或干扰有用信号的某种不期望的扰动。 干扰：常把可以减少或者消除的外部扰动。 噪声：由于材料或器件的物理原因所产生的扰动。 噪声限制了探测器的分辨能力和系统动态范围。
Et 4kTRf , 其中k：玻尔兹曼常数 .38 10 23 J / K 1 T：电阻绝对温度，K f：测量系统的噪声带宽，Hz R：电阻（或阻抗实部） ，
单位带宽内的噪声功率称为噪声的功率谱密度
Et2 S ( f ) lim 4k TR 常数 f 0 f
热噪声的特点：
1 f 2 Au 0


0
[ Au2 ( f )]df , 其中
Au ( f )：电压增益 Au 0：最大电压增益
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★
5. 噪声源的相关性及电压叠加
相关系数：表征两个噪声相似性（或线性相关性）的度量
C lim 1 2T 1 [ 2T
T

T
T
u1 (t )u2 (t )dt
T
1 u12 (t )dt T 2T
国家规定了一系列阻值作为电阻产品的标准。 不同误差等级的电阻有不同数目的标称值。误差越小的电 阻，标称值越多。 不同的电路对电阻的误差有不同的要求。一般电子电路采 用I级或者II级。 在电路中，电阻的阻值一般都标注标称值。如果不是标称 值，可以根据电路要求，选择和它相近的标称电阻。 29
电阻的命名规则（GB2470-81）

T
T
2 u2 (t )dt ]
1 2
C∈[-1,1]。当C=0，表示两个噪 声源独立产生，否则存在相关
2 2 u 2 u12 u 2 2C u12 u 2
★
两个互不相关的噪声可以等效为 1个噪声源，其均方值为各噪声 源均方值之和
2 u 2 u12 u2
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6. 热噪声
导体中载流子热运动产生的噪声称为热噪声（约翰逊噪声） 电阻两端开路的热噪声电压为
2.
噪声的统计特性
随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程 大多数噪声瞬时幅度服从正态分布
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1 2 2 P( x) e , 2 ：噪声电压均方根
( x ) 2
其中
：噪声电压均值，一般为0
1 T 2 x lim x dt T T 0 作为工程近似，可以认为噪声电压都位于±3σ之内。即使 峰－峰电压在99.7%时间内小于6倍均方根值。
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I e I1 I 2，其中 I1 I 0：由热生少数载流子产生 I 2 I 0e
qU eb kT
：由位垒两端多数载流子扩散产生
I e产生的散弹噪声的功率相当于I1和I 2噪声电压均方值和
(a)多子扩散运动 (b)动态平衡时的PN结
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例：正偏PN结的散弹噪声等效电路
其中电流源等效为
两电阻并联的总噪声电压等于其并联等效电阻的热噪 声电压而减小。
7. 散弹噪声
半导体、真空器件中的载流子是离散型的电荷迁移粒子， 流经器件的电流因此会出现随机的起伏，称为散弹噪声，散弹 噪声电流
I sh 2qI DC f , 其中 q：电子基本电量 .59 10 19 C 1 I DC：通过器件的直流电流 f：噪声带宽
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这种噪声称为低频噪声或1/f 噪声
某一带宽的噪声功率（α=1，下限频率很低时）
E K1
2 f fH fL
1 df f
★
1/f 噪声在每个（10）倍频程带宽内的功率是相等的 不属于白噪声
9. 过剩噪声
当直流电流流过不连续介质时（如炭膜电阻），由于 电导率不均匀，电流流过在介质间产生小电弧引起的电流 脉冲引起的噪声称为过剩噪声。
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线绕电阻 合金丝（康铜、锰铜或镍铬合金）绕在瓷管架上，表面 涂有保护漆或玻璃釉。
阻值一般在0.1Ω～5MΩ之间，功率 在0.125W～500W 特点是低噪声，高线性度，温度系 数小，稳定度高，工作温度可达315℃。 但体积较大、自身电感大，使高频性能 差、时间常数大。只适用于频率在50 kH z以下的电路，温度指数典型值为-38dB 精密和大功率场合
第一位数
第二位数
1 0 102 10% 允许误差
倍乘数
1 0 0102 1% 允许误差 倍乘数
1000 (1k)
10k
误差：金色 — 5% （I级） 银色 — 10% （II级） 无色 — 20% （III级） 棕色 — 1%
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