光电探测器件噪声测试及频谱分析
实验目的
研究一种测量光电探测器件噪声,以及分析其频谱的方法。
实验内容
(1)测量光电导型探测器的噪声。
(2)绘出~f曲线,分析频谱。
实验使用的仪器和器材
(1)前置放大器 1台
(2)频谱分析仪 1台
(3)标准信号发生器 1台
(4)直流稳压电源 1台
(5)万用表 1台
(6)光敏电阻及各种电阻元件等。
实验基本原理
大家知道,光电探测器件的最小可检测功率,受噪声限制。因此,了解光电探测器件的噪声及其频谱,对于使用光电探测器件进行弱信号的测量是十分重要的。光电探测器件噪声的测量,是指在无输入信号的情况下对探测器的电输出所进行的一种测量,在测量的过程中,往往需要在探测器与测量仪之间加一放大器,这就不得不考虑光电探测器件的影响。仪器所测量的是放大器的输出噪声,扣除负载电阻和放大器的噪声之后,才是光电探测器件本身的噪声。
本实验测量光电导型探测器的噪声,下面就以此为例说明其测量的基本原理。光电导探测器可以等效为一个电阻和一个噪声等效电压源串联,或一个电阻与一个噪声等效电流源并联的电路。如下图所示。
图中,Rd是光电导探测器的等效电阻,End是等效噪声电压源,其等效噪声电流源为
(7-1)
若连接有负载电阻RL,同样可用上图等效,只不过噪声等效电压源为EnL,即
=4kTRL△f (7-2)
放大器的噪声等效电路,如下图所示。
在图中,En和In则分别表示放大器的噪声电压源和噪声电流源。
测量系统的噪声等效电路,如下图所示。
在图中,Es为信号源。由图,可写出下列电路方程式为
(7-3)
式中,K是从探测器到放大器输出端的传递函数,也就是系统的增益。当输入信号Es=0,
由式(7-3),可得
(7-4)
或
(7-5)
用阻值相同的线绕电阻(标准电阻)代替光电导探测器,在放大器的输出端又可得到一个噪声电压Ub,类似于式(7-4)可得
或
(7-6)
比较式(7-6)与式(7-5),则可得
=(7-7)
式中,=4kTRd△f。
由式(7-7)可见,只要知道上图所示系统的增益K,并测出、,即可算出探测器的噪声End。
系统增益K的测量方法如下:
将信号发生器产生的标准信号U通过衰减器加到校准电阻Rcal上,调节信号发生器的频率与选频放大器的中心频率相同(Rcal与探测器串接,其阻值很小,因此本身的热噪声可以忽略)。然后调节衰减器使放大器的输出为mUno,此时根据衰减器及标准信号,即可算出降至Rcal上的标准信号Ucal,一般m取为100。
根据式(7-3),以Ucal代替式中的Es,则得
(7-8)
再考虑到式(7-4),则得
或
(7-9)
将式(7-9)代入式(7-7),则得
(7-10)
令,则
(7-11)
由式(7-11)可见,只要在放大器无输入信号的情况下测出其输出电压Uno,用线绕电阻代替探测器,测出Ub,便可求得δ,再测出Ucal,由式(7-11),便可计算出光电探测器件的噪声Und。
实验装置
测量光电导探测器的噪声谱,所用实验测量装置如下图所示。
由图可见,当将开关K1掷“1”时,测光电探测器的噪声;将开关掷“2”时,则测标准电阻Rs噪声。当开关K2合上时,则送入标准信号。衰减器由图中R1与R2组成。
如附图1-4所示库克变换器,Us和U0分别为输入、输出直流电压,且电流连续,设D为开关管Q的占空比,D= TON/T,T为开关管的开关周期,RON为一周期内导通时间。并假设电路中的所有器件均为理想元件。
1)试推导U0=DU3(1-D);
2)分析在何种情况下为升压变换器;
3)分析在何种情况下为降压变换器。
下图所示调Q红宝石激光器的两面反射镜的透过率分别为T2=0,T1=0.2,光束截面积A=0.8cm2,腔长L=15cm,红宝石工作物质长度lg=10cm,折射率ηg=1.78,发射中心波长λ0为694.3nm,发射截面σ=2.5×10-20cm-2,为方便计算,假定能级的统计权重相等。Q开关长度ls为2cm,折射率ηs=2.7;Q开关打开时的附加损耗系数αs=0.1cm-1,腔内其他参数如图中所示。若该器件被泵浦到阈值增益的4倍,试求其Q开关打开时的起始反转粒子数密度,调Q脉冲峰值功率、脉冲输出能量和脉冲宽度。
A.测试输入光功率范围时,必须确保在所测范围内, 放大器可以完成正常的放大功能
B.对于放大器增益,最好采用光谱分析仪进行测试
C.在测试中选取1310nm波长光源,直接输入放大器,再测试放大器的输出即可计算出放大增益
D.放大器的输出、输入光功率之差即为放大器增益
试由速率方程求半导体光放大器的(1)增益和入射光功率P0的关系式;(2)增益和输出光功率Pl的关系式;(3)饱和输出光功率Psat的表示式;(4)小信号增益G0=30dB时的Psat。