微弱光实验报告.docx
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微弱光实验报告
GDOU-B-11-112
广东海洋大学学生实验报告书(学生用表)
实验名称课程名称课程号
学院(系)专业班级
学生姓名学号实验地点实验日期
微弱光实验
一、实验目的
1、了解不同探测器对微弱光探测处理的原理及方法
2、了解低噪声放大器的内部原理及应用原则
二、实验内容
1、普通光电二极管测量微弱光原理实验
2、雪崩光电二极管测量微弱光原理实验
3、光电倍增管测量微弱光原理实验
4、低噪声放大器应用实验
三、实验仪器
1、微弱光测试实验仪
1
台
2、光源组件
1
套
3、光电二极管组件
1
套
4、APD光电二极管组件
1
套
5、光电倍增管组件
1
套
6、衰减片组件系统
1
套
7、连接线
若干
8电源线
1
根
四、注意事项
1、连接电路时,保证电路未通电。
2、光源极性不要接反。
3、不要用强光持续照射光电倍增管,特别是在高压下,否则容易使倍增管老化
五、实验操作
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1、低噪声放大器应用实验
一个光电探测系统是由光学变换、光电探测器和后续电路处理系统组成,一般光电
探测器需连结多级放大器,我们称第一级放大器为前置放大器,对于一个由n个放大器
级连成的放大系统,其噪声特性可由弗里斯(Friis)公式表达:
式中NF为系统的总噪声系数;Fl为第一级放大器的噪声系数;Fn为第n级放大器的噪声系数;kp为第一级功率增益,kpn为第n级功率增益。
由上式可以看出,多级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。
为了使多级放大器的噪声系数减小应尽量减小第一级的噪声系数,同时提高第一级的功率增益kpi,这是指导我们设计低噪声放大器的一个重要原则。
此外,还需考虑放大器的频率特性,动态范围,信号源阻抗等要求。
所以具体电路因系统不同而异。
从低噪声要求出发应考虑如下几点:
1)选择内部噪声低,信号源电阻合适的管子前置放大器可由晶体管、结型场效应管、绝缘栅场效应管和集成电路组成。
晶体管适合于信号源电阻在几十欧姆至一兆欧姆
范围内;结型场效应管适合于较高的源电阻;绝缘栅场效应管可工作于更高的信号源电阻情况,但因其1/f噪声较大,所以用得较少,只有在高阻状态才用。
2)应选择优质电阻、电容低噪声放大器除了放大管自身噪声低以外,还需要电阻、电容的噪声也很低,因电阻自身都存在固有的热噪声,热噪声电压的均方值为
/=4kTRf(5.1.2)
式中,k为玻耳兹曼常数(1.38X10-23/J/K);R为电阻阻值;T为电阻的绝对温度;「讦为测量系统的通频带宽度。
除此以外,电阻还产生与电阻品质有关的电流噪声(也称过剩噪声)。
电流噪声的均方电压为
(5.1.3)
成绩指导教师日期
页,共
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式中,K是与材料工艺有关的常数ide是流过电阻的直流电流,f是频率;R是电阻阻值。
这种噪声有与频率成反比、与所加直流电流ide的平方成正比的特性。
这种噪声的
大小与生产过程有密切关系。
通常合成碳质电阻噪声最大;金属膜电阻噪声比较小;精密金属膜电阻噪声更小;线绕电阻噪声最小(但体积较大)。
所以,最常用的是金属膜电阻。
3)有良好的电磁屏蔽措施因为前置放大器输入信号很弱,外界干扰相对来说显得很强,它们可通过分布电容或磁场耦合把干扰引入放大器,所以,用金属壳把放大器包围起来,并使金属壳接地就能很好地屏蔽外界电场干扰。
屏蔽壳除了屏蔽外界电场干扰外,同时也屏蔽外界磁场干扰。
此外,放大器的信号输入线应尽可能短且采用屏蔽线。
采用晶体管或结型场效应管组成的低噪声集成运算放大器其体积小、使用方便,在噪声要求不很高的情况下,用它组装的前置放大器是方便易得的。
本实验就采用低噪声集成运算放大器组装前置放大器进行实验。
从课程学习中已经知道:
放大器的噪声模型是由无噪声的理想放大器输入端等效噪声电压源En和等效噪声电流源In值。
而信号源是由信号源电阻尺、信号电压Vs和噪声均方根电压组成。
般低噪声集成运算放大器都给出En和In值。
由此可得最佳源电阻
(5.1.4)
(5.1.5)
(5.1.6)
Rsop
1n
也可得到等效输入噪声电压
E2=V2+E2+I2r2
innns
和最小噪声系数
E2+「2r2
f-1nnsmin
4kTR°pf
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但是,一般£・和In都给出1H带宽中的值,所以最小噪声系数也定义在1Hz带宽中,即
222
匚1enInRs
Fmin—1'
(5.1.7)
4kTRsop
取对数值(dB)得
(5.1.8)
NF=10logF
有的集成运算放大器给出In、En值,也有的给出NF值。
本实验仪器使用的探测器输出的都是微弱电流信号,故前级设计为低噪声微弱电流/电压
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电流/电压变换电路
为降低由于输入偏置电流产生的漂移,应对不同量程的偏置电流进行转换,响应频率岁反馈电阻R3-R6而变,电阻大小由输入的直流电流确定。
电路中,在反向输入端输入电流,通过反馈电阻把电流转换为电压,输出电压Uo=-li*Rf(Ii为探测器输出电流,
Rf为R3-R6中一个电阻)。
因此可确定响应的输入电流转换的电压Uq
要使用驱动电流小的运放,驱动电流引起的漂移电压可采用同向输入抵消。
电路中量程选择开关J2对应机箱面板上增益调节选择开关,漂移补偿选择开关J3
对应机箱面板上补偿调节选择开关,补偿调节电位器Rp2-Rp5对应机箱面板RP1-RP4
打开主机箱电源,选择不同增益档位和对应补偿调节档位,调节补偿调节电位器,观察表头显示,根据原理图分析显示结果。
增益档位系数分别为
X4档:
1K;X3档:
10K;X2档:
100KX1档:
1M
2、普通光电二极管测量微弱光原理实验
图5.2.1电路框图
本实验仪电路框图如图5.2.10
1、将光电二极管组件接入机箱后航空插座接口,机箱内已经为二极管提供直流偏压。
2、光源和光电二极管组件对接。
3、光源对应接入机箱后红、黑护套插座。
4、打开电源开关。
调节光强,观察主机箱显示值,单位为MV
5、观测不同光强对应不同的档位情况。
6、观测调制光输出。
7、实验完成后关闭电源
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3、雪崩光电二极管测量微弱光原理实验
1、将雪崩光电二极管组件接入机箱后航空插座接口,机箱内已经为二极管提供直流偏压。
2、光源和雪崩光电二极管组件对接。
3、光源对应接入机箱后红、黑护套插座。
4、打开电源开关。
调节光强,观察主机箱显示值,单位为MV
5、观测不同光强对应不同的档位情况。
6、观测调制光输出。
7、通过观测结果分析与光电二极管的测试性能的异同点。
&实验完成后关闭电源
4、光电倍增管测量微弱光原理实验
1、将光电倍增管组件接入机箱后对应BN(接口。
2、光源和衰减片及光电倍增管管组件对接。
3、光源对应接入机箱后红、黑护套插座。
4、打开电源开关。
调节光强,观察主机箱显示值,单位为MV
5、观测不同光强对应不同的档位情况。
6、通过不同衰减片进行组合的到不同强度的微弱光对结果进行观测。
7、观测调制光输出。
7、通过观测结果分析与光电二极管、雪崩光电二极管的测试性能的异同点。
&实验完成后关闭电源
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六、试验数据处理
微弱光信号测定
光电倍増管
x2
电压(nV)
X3
电压
(mv)
光源电流曲
R1
R2
R3
R4
R1
R2
R3
0
12.3
11.6
-25.6
3.4
3
-34.1
0+1
11
10.7
-26.5
3.2
2.8
-33.9
0.2
10.2
9.8
-27.2
3.2
2.S
-33.7
①3
10
9.6
-26.9
3.2
2.9
-33.3
0.4
10.2
9.9
-26.2
3.2
2.9
-33.1
CL5
9.8
9.6
-施2
3.2
N9
-32.9
0.6
10,2
負8
-25.7
3.2
2.9
-32.9
0.1
10
9.5
-26.3
3.2
2.9
-32.7
0.S
9.7
9.5
-26.1
3.2
2.9
-32.5
0.9
10.2
汛5
-25.7
3.2
2.9
-32.3
1
10.1
9.7
-25.4
3.2
2.9
-32.1
1.1
10.8
10.6
-24.4
3.3
3
-31.9
1L2
10.8
10.5
-24.3
3.4
3
-31.7
1.3
10.7
10.4
-24.2
3.3
3
-31.5
IL4
10.8
10.4
-24
3.3
3
-31.2
1.5
10.7
10.3
-23.3
3.3
3
-30.9
1.6
10.8
10.5
-23.4
3.3
3
-30.7
1.7
10,8
10,7
-23
3.4
3
-30.4
1.S
10.7
10.4
-22.9
3.3
3
-30.2
1.9
10.9
10,5
-22,9
3.3
3
-30.1
2
10.5
10.1
-22*8
3.3
3
-29.9
光电二极管
X3
X4
_电谍_
R1
R2
R2
R4
R1
R2
R2
R4
0
2.6
25
-8.2
2.8
2.7
-7.8
0,1
2.6
2.5
-8.1
2.S
2.7
-7.9
0.2
2.6
25
-8
2.8
2.7
-7.8
0,3
2.5
2.4
-2
2.2
2,7
-7_7
0.4
25
2.4
-7・9
2.8
2.7
-7.7
0,5
2.5
2.4
-7.9
2.2
2,7
-7.6
Q.&
25
24
-L8
么呂
2.7
-入5
0.7
2.4
2.3
-7.8
2.S
2.7
-7_4
0.3
2.4
23
-7.6
2.8
27
-7.3
0.§
2.3
2.2
-7.6
2.2
2.7
-7.2
1
Z3
2.2
-7.5
2.S
2+7
-7
「1.1
2.3
2.2
-7.5
2.8
2.7
-7
LZ
Z2
2.2
-7.4
2.2
2+7
-6.9
|1.3
2.2
2.2
-7.3
2.7
2.7
-6.3
L4
Z2
2.1
-7.4
2.7
2+7
-6・7
1.5
2.1
2.1
-7.4
2.7
2.6
-6.7
L5
£1
2
-L2
2.7
2+6
-6.6
1.7
2.1
2
-7.2
2.7
2.7
-6-6
L8
21
2
-7.2
2.7
16
-6.5
1.9
2
2
-7.2
2.7
2.6
-6.5
2
2
L9
-?
2.7
2.?
-6.3
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