第二章噪声源详解.pptVIP

第二章 噪声源 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。所以在精密测量、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。 一. 噪声的基本概念 光电探测系统包含光探测器、电子学系统(例如低噪声前置放大器等)、光学系统等。因此，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。 这些干扰及扰动主要来自两方面： (1)来自被研究系统的外部 (2)来自被研究系统的内部 (1)来自被研究系统的外部 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50Hz干扰； ●工业设备电火花干扰等。 但这种干扰多具有一定规律性，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。 (2)来自被研究系统内部 来自被研究系统内部的材料、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。 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，但可以得知其遵循的统计规律、也可以通过一些措施予以控制。 二. 噪声功率谱密度 噪声是一种平稳随机信号； 噪声一般采用长周期测定其均方值(即噪声功率)的方法，通常采用先计算噪声电压(电流)的平方值，然后将其对时间作平均，来求噪声电压(电流)的均方值，即： 三. 噪声相关性 当系统存在多个噪声源时，必须考虑噪声源之间的相关性。若各个噪声源独立产生且在各个瞬间彼此无关时，称不相关；反之相关。 总噪声是这些噪声源的叠加：功率的叠加，同时考虑相关性。 四. 光电探测器噪声 在光电探测器中固有噪声主要有： ●热噪声 ●散粒噪声 ●产生—复合噪声(g—r噪声) ●温度噪声 ●电流噪声或1/f噪声 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。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。 通常也用热噪声电流(电压)均方根值来进行计算，它们分别表示为： 热噪声属于白噪声频谱，一般说来，高端极限额率为： 由上式可知， 与电阻的温度T有关。 在室温下(T＝290k)， 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。 例如：室温条件下R＝1kΩ的电阻，在 ＝1Hz带宽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104，则在放大器输出端的热噪声均方根电压约28mV。在微弱信号探测中，这对于信号来讲是一个不可忽视的量。 ？如何减小热噪声——光电探测系统的一个重要问题。 ●从热噪声功率与探测器工作温度T的关系知道，低温工作的探测器的热噪声将大大减小，特别是一些响应于远红外波段的探测器，为降低热噪声，往往将探测器放置于液氦(4K)、液氮(77K)的深冷状态。 ●同时，在信号不失真的条件下，尽量缩短工作频带。 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的随机产生所造成的。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。 电子管中的散粒噪声：在电子管中，电子从阴极发射出来，如果板极上所加的正电压足够高，使离开阴极的电子立即为板极所收集而流过外电路，在一定的条件下就可测到一直流电流I，当然这也是时间的平均值。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。 从涨落的均方偏差可求出散粒噪声功率为： 式中e为电子电荷， 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： 对于由光场作用的光辐射散粒噪声也可直接写为： 式中IP为光辐射场作用于探测器产生的平均光电流。 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电子的粒子性，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)。 g—r噪声主要存在于光电导探测器中。 g—r噪声与前