光电探测器的噪声ppt课件.ppt
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1、4.3 光电探测器的噪声,主要分为:有形噪声和无规噪声 前者一般可以预知,因而总可以设法减少和消除。后者来自物理系统内部,表现为一种无规则起伏。例如,电阻中自由电子的热运动,真空臂中电子的随机发射,半导体中载流子随机的产生和复合等,这些随机因素把一种无规则起伏施加给有用信号。起伏噪声对有用信号的影响。假定入射光是正弦强度调制的,放大器是一个可以任意改变放大量的理想放大器。,一、噪声的概念,当入射光强度较大时,在示波器上可以看到正弦变化的信号电压波形 。 降低入射光功率时,增大放大率,发现正弦电压信号上出现许多无规起伏,使正弦信号变得模糊不清(图(b)。 再降低入射光功率时,正弦波幅度越来越小,
2、而杂乱无章的变化愈来愈大。最后只剩下了无规则的起伏,完全看不出什么正弦变化,这叫做噪声完全埋没了信号。当然这时探测器也失去了探测弱光信号的能力。,从上面讨论中,我们应该建立这样的观念:上述现象并不是探测器不好所致。它是探测器所固有的不可避免的现象。任何一个探测器,都一定有噪声。也就是说,在它输出端总存在着一些毫无规律,事先无法预知的电压起伏。这种无规起伏,在统计学中称为随机起伏,它是微观世界服从统计规律的反映。从这个意义上说,实现微弱光信号的探测,就是从噪声中如何提取信号的问题,这是当今信息探测理论研究的中心课题之一。,二、噪声的描述,噪声电压随时间无规则起伏情况。显然,无法用预先确知的时间函
3、数来描述它。然而,噪声本身是统计独立的,所以能用统计的方法来描述。长时间看,噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的,其时间平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。,但是,如果我们先取噪声电压的平方,然后求这些平方值对时间的平均值,再开方,就得到所谓方均根噪声电压un,即这正是我们用电压表所测量到的那种有效电压。虽然噪声电压的起伏是毫无规则,无法预知的,但其方均根电压却具有确定值。这就是噪声电压(噪声电流也一样)服从统计规律的反映。由于产生探测器起伏噪声的因素往往很多,且这些因素又彼此独立,所以总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和,即,为此,把探测器输出的方均根噪声电压(电流)称为
4、探测器的噪声电压(电流)。显然,探测噪声的存在,就使得探测器对光信号的探测本领受到一个限制。所以定量估计探测器的噪声大小就显得很重要了。由于许多时域问题往往在频域中讨论可能更为方便,方法是付里叶变换。若噪声电压为un(t),则其付里叶变换对为,成立的条件是un(t)绝对可积,即显然,无限延续的噪声电压并不能满足上式。因此,无限延续的噪声电压的幅度付里叶谱不存在。为了克服这个困难,但还要使用付里叶变换的方法,办法是引入噪声电压的自相关和功率谱。,自相关定义为:意思是对噪声电压进行卷积运算并求时间平均值。显然它满足绝对可积条件,因而它的变换谱存在,即在自相关定义中,令t0,则,式中 表示噪声电压平
5、方的平均值,它的物理意义:噪声电压消耗在1电阻上的平均功率。同样,在(3)式中令t0,则有: 式中使用了 的关系。为了表述得更清楚一些,还可以从(4)式出发,并令再应用付里叶变换对,可以证明:,比较(5)和(6)式,就有 或它们是单位频带噪声电压消耗在1电阻上的平均功率,称为噪声电压的功率谱。实际上,探测器的测量带宽是有限的,用f表示,那么当g( f )常数(这种噪声又称为白噪声)时: 于是,求噪声 或Vn的问题就转化为求解噪声功率谱g(f)的问题了.,三、光电探测器的噪声源,依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、产生复合噪声、热噪声和低频噪声。 是光电转换物理过程中固有
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