光电信号处理习题答案黑白图片版.docx
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光电信号处理习题
1光电探测器按物理原理分为哪两类,各有何特点?
一类是利用各种光子效应的光子探测器,特点是入射光子直接和材料中的电子发生相互作用,即光电子效应;一类是利用温度变化效应的热探测器,特点是基于材料吸收光辐射能量以后温度升高的现象,即光热效应。
1.光子探测器和热探测器
特点:
光子探测器--a是一种波长选择性探测器,要产生光子效应,光子的能量要超过某一确定的值,即光子的波长要短于长波限。
波长长于长波限的入射辐射不能产生所需的光子效应,因而也就不能被探测出来。
另一方
面.波长短于长波限的入射辐射,当功率一定时,波长愈短,光子数就愈少。
因此理论上光子探测器的响应率应与波长成正比。
b速度高
。
热探测器--a所有热探测器,在理论上对一切波长都具有相同的响应,因而是非选择行探测器。
b热探测器一般无需制冷。
c热探测器的响应时间比光子探测器长(取决于热探测器热容量的大小和散热的快慢)。
2分别画出主动、被动光电探测系统的结构框图,说明各部分的作用。
被动式:
主动式:
需要有光源照射目标。
3什么是噪声?
噪声与干扰有何不同?
光电探测系统有哪些噪声?
光电探测器有哪些噪声?
噪声:
由于元器件内微观粒子随即的无规则运动产生的有害信号,称为噪声。
不同:
噪声是来自元器件内部粒子;而干扰是指其他的有害信号,有系统外部的,也可以有内部的。
光电探测系统的噪声:
光子噪声,探测器噪声,电路噪声。
光电探测器的噪声:
热噪声,散粒噪声,产生-复合噪声,1/f噪声,温度噪声。
4等效噪声带宽表示什么意义?
与系统的频率带宽有何不同?
将噪声功率谱图按照面积相等变换成矩形,以最大噪声功率为高,则宽就是等效噪声带宽。
系统的频率带宽指在幅频特性曲线中高度为0.707倍峰值的两频率之差。
5放大器的En-In噪声模型并说明意义。
放大器的内部噪声可以用串联在输入端的零阻抗电压发生器En和并联在输入端具有无穷大阻抗的电流发生器In
来表示。
两者相关系数为r。
这种模型叫En-In噪声模型。
意义:
可将放大器看作无噪声,对放大器噪声的研究归结为分析En、In在电路中的作用。
简化了电路系统的噪声计算。
6什么是噪声系数,证明放大器的噪声系数NF≧1。
噪声系数:
输入端信噪比与输出端信噪比的比值。
Psi
13
NF=
Psi/Pni
=Pni
=Psi×Pno=
Pno
,NF=
Pno
(A为放大器功率增益)
P/P P PP
æPö
P×A p
so no
so
Pno
niso
Pni
çso÷
ni p
P
èsiø
放大器的输出噪声功率Pno由两部分组成,一部分为Pni(信号源内阻热噪声)×Ap;另一部分为放大器本身产生的噪声在输出端呈现的噪声Pn;
P=AP
+P=P +P
所以噪声系数又为:
NF=
Pno
=ApPni+Pn
=1+ Pn
=1+ Pn
no pni n no1 n,
PniAp ApPni PniAp ApPni
一般情况下,实际Pn不会为零,所以NF>1;理想情况下NF=1。
得证。
7证明最佳源电阻Rsopt=En/In
E2+E2+I2R2
E2 I2R2
噪声系数有表示式:
NF=ns n ns=1+n+ns(等效输入噪声比信号源噪声)
E2 E2 E2
ns ns ns
E2 I2R
而E =4KTRDf,所以NF=1+n +n s,放大器一设计好,En、In就不变了,所以NF只是Rs
ns s
4KTRSDf
4KTDf
和∆f的函数。
当Rs变化时,上式第二项减小,第三项增大,所以Rs变化时,存在极值,NF对Rs求导:
¶NF 1 E2 I2
=- ×n +n =0
s s
¶R R24KTDf 4KTDf
可得到当Rsopt
=En/In
R =En时,NF取得极值。
为最小值。
所以有最佳源电阻。
sopt I
n
8简述噪声温度的物理意义。
放大器内部产生的噪声功率,可看作是由输入端连接一个匹配的温度为Ti的电阻所产生;或看成与放大器匹配的噪声源内阻Rs在其工作温度T上再加一个温度Ti后,所增加的输出噪声功率。
所以,噪声温度也代表相应的噪声功率。
9证明Friis公式,并说明其在低噪声电路设计中的意义。
假设一三级放大器,Pn1、Pn2、Pn3分别为各级所产生的噪声功率,在各级输出端的体现。
三级放大器级联成为一个放大系统,此系统的噪声系数:
NF1,2,3
=1+
Pn
A×P
p ni
其中Pn为三级放大器内部噪声功率在输出端的表现:
Pn=(Pn1×Ap2+Pn2)Ap3+Pn3
即:
Pn=Ap2×Ap3×Pn1+Ap3Pn2+Pn3
级联放大器的总功率增益:
Ap=Ap1×Ap2×Ap3
所以:
NF
=1+ Pn
=1+Ap2×Ap3Pn1+Ap3×Pn2+Pn3
=1+
Pn1 +
Pn2 +
Pn3
1,2,3
AP A
·AAP
AP AAP AAAP
pni p1
=NF+NF2-1+NF3-1
p2p3ni
p1ni p1
p2ni p1p2
p3ni
1 A AA
p1 p1p2
由此可以递推到n级级联的放大器:
NF
=NF+NF2-1+NF3-1+L NFn-1
1,2Ln
1 A AA A×ALA
p1 p1p2
p1 p2
pn-1
意义:
由公式可以看出,多级级联的放大器,噪声系数的大小主要取决于第一级放大器的噪声系数;所以设计低噪声放大器的时候,应尽量减小第一级放大器噪声系数,同时增大其放大倍数Ap1。
10耦合网络的低噪声设计有哪些原则?
设耦合网络的阻抗值为:
Zcp=Rcp+jxcp(并联阻抗)Zcs=Rcs+jxcs(串联阻抗)
(1)对于耦合网络中的串联阻抗元件:
Rcs< (2)对于并联阻抗元件: Rcp< (3)为了减少电阻元件的过剩噪声(除热噪声外流过电阻的电流产生的一种1/f噪声),应尽量减小流过电阻的电流,或降低电阻两端的直流压降; (4)减少元器件的使用数,采用简单耦合的方法,减少输出端噪声,尽可能采用直接耦合,消除耦合网络的噪声; 11噪声测量与一般电压测量有何不同? 噪声的测量无法用电压表在输入端直接测量,都是在输出端测量。 测出的总噪声是系统内部各噪声综合作用的结果。 这是因为噪声值都非常小,而且分布在放大器的各个部分的缘故。 12画出正弦波法测量系统噪声系数的框图,说明工作原理。 (1)将K1、K2都打在1点,调节正弦信号发生器,然后在测量仪表记录Vo,得出传输函数Avs; (2)将K1打到2点, 在测量仪表处可得出总的噪声E ;(3)由E =En0得出等效输入噪声; no ni Avs (4)由此得到噪声系数NF E2 =10lg ni 。 4KTRsDf 13根据集成运算放大器的参数计算其输出噪声电压。 (1)计算热噪声电压e =e × 为噪声电压有效值,其中,e 是热噪声电压密度,为 n = ,也 BWn Df 4kTR e nBB BB BB 可在频谱密度图中查找;BWn是热噪声带宽,BWn=fH﹒Kn,fH是上限截至频率,Kn是转换系数,一般为1.57; (2)计算1/f噪声 f efnorm=eat_f× ,为归一化为1Hz的噪声电压。 其中: eat_f为频率为f时的噪声电压密度,在图中查找;f为 ln(fH) fL 图中最小的频率;e =e × 为1/f的有效值,fH为上限截至频率,取BWn;fL为下限频率,取 0.1Hz; nf fnorm e2+e2 nf nBB (3)总的噪声输入电压: en_v= ; (4)噪声增益为Noise_Gain=1+Rf/R1; (5)电流噪声转化为等效电压噪声源: en_i=inReq,Req=R1//Rf; 4kTReqDf (6)运放电路的热噪声: en_R= ,Req=R1//Rf; e2 n_v n_i n_R +e2 +e 2 (7)输出噪声电压: en_o= 。 14利用集成运算放大器设计低噪声运算放大电路时,如何选择器件? 有哪些基本原则? 为了满足噪声的指标,必须选用合适的有源和无源器件;在线路上配合使用, (1)有源器件的选用主要从源电阻和频率范围来考虑; (2)电阻的选用,用过剩噪声较小的金属膜电阻或者线绕电阻,有时也用电感替代并联电阻,而且要考虑电阻工作的频率范围; (3)电容的选用,实际电容还存在电感和电阻值,所以一般根据其频率范围选择; (4)电感的选用,考虑三方面: 发线圈导线的粗细,控制通电流的大小,可改变R上的热燥和过剩噪声;线圈的L 和C也可改变噪声;电感的空芯和磁芯。 (5)同轴电缆的选用,应尽量减小其噪声。 15什么是信噪比改善? 与噪声系数有何不同? 信噪比改善是输出信噪比与输入信噪比的比值: SNIR=输出信噪比=S0/N0 数学上看与噪声系数是倒数关系,但实质有区别: 输入信噪比 Si/Ni 噪声系数是对窄带噪声而言的,并且NF≥1,结论的产生是假设了输入噪声的带宽等于或小于放大系统的带宽;实际上输入发噪声的带宽要大于放大系统的带宽,所以NF有可能小于1,因此给出信噪比改善的概念。 16说明双路消噪法的工作原理与特点。 原理: 利用两个通道对输入信号进行不同的处理,然后用加法器将两路信号相加,设法消去共同的噪声,提高信 噪比,得到有用的信号。 特点: 只能检测微弱的正弦波信号是否存在,并不能复现波形。 17画出取样积分器的原理框图,计算信噪比改善。 取样积分又叫Boxcar方法。 对准周期的某一点,在每个周期的这一时刻,都进行采样,放入积分器中,消除掉随机噪声。 若对每一点都这样处理,就可恢复信号波形。 信噪比改善: P V2 P V 2 输入端信噪比: si=si,输出端经过m次取
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