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,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,R d 是光电导探测器的等效电阻,E nd 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R L ,同样可用上图等效,只不过噪声等效电压源为E nL ,即 =4kTR L △f (7-2) 放大器的噪声等效电路,如下图所示。 在图中,E n 和I n 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,E s 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E s =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U b ,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, =4kTR d △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E nd 。 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R cal 上,调节信号发生器的频率与选频放大器的中心频率相同(R cal 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mU no ,此时根据衰减器及标准信号,即可算出降至R cal 上的标准信号U cal ,一般m取为100。 根据式(7-3),以U cal 代替式中的E s ,则得 (7-8) 再考虑到式(7-4),则得 或 (7-9) 将式(7-9)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U no ,用线绕电阻代替探测器,测出U b ,便可求得δ,再测出U cal ,由式(7-11),便可计算出光电探测器件的噪声U nd 。 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K 1 掷“1”时,测光电探测器的噪声;将开关掷“2”时,则测标准电阻R s 噪声。当开关K 2 合上时,则送入标准信号。衰减器由图中R 1 与R 2 组成。