Kaip sumažinti fotodetektorių keliamą triukšmą

Kaip sumažinti fotodetektorių keliamą triukšmą

Fotodetektorių keliamas triukšmas daugiausia apima: srovės triukšmą, šiluminį triukšmą, smūgio triukšmą, 1/f triukšmą ir plačiajuostį triukšmą ir kt. Ši klasifikacija yra tik gana apytikslė. Šį kartą pristatysime išsamesnes triukšmo charakteristikas ir klasifikacijas, kad padėtume visiems geriau suprasti įvairių tipų triukšmo poveikį fotodetektorių išėjimo signalams. Tik suprasdami triukšmo šaltinius galime geriau sumažinti ir pagerinti fotodetektorių keliamą triukšmą, taip optimizuodami sistemos signalo ir triukšmo santykį.

Šūvio triukšmas yra atsitiktinis svyravimas, kurį sukelia diskretus krūvininkų pobūdis. Ypač fotoelektrinio efekto metu, kai fotonai susiduria su jautriais šviesai komponentais ir generuoja elektronus, šių elektronų generavimas yra atsitiktinis ir atitinka Puasono skirstinį. Šūvio triukšmo spektrinės charakteristikos yra plokščios ir nepriklauso nuo dažnio dydžio, todėl jis dar vadinamas baltuoju triukšmu. Matematinis aprašymas: Šūvio triukšmo vidutinė kvadratinė vertė (RMS) gali būti išreikšta taip:

Tarp jų:

e: Elektroninis krūvis (apytiksliai 1,6 × 10⁻⁹ kulonų)

Idark: Tamsi srovė

Δf: Pralaidumas

Šūvio triukšmas yra proporcingas srovės dydžiui ir yra stabilus visais dažniais. Formulėje Idark žymi fotodiodo tamsos srovę. Tai yra, nesant šviesos, fotodiodas turi nepageidaujamą tamsos srovės triukšmą. Kadangi fotodetektoriaus priekyje yra būdingas triukšmas, kuo didesnė tamsos srovė, tuo didesnis fotodetektoriaus triukšmas. Tamsos srovei taip pat įtakos turi fotodiodo poslinkio darbinė įtampa, tai yra, kuo didesnė poslinkio darbinė įtampa, tuo didesnė tamsos srovė. Tačiau poslinkio darbinė įtampa taip pat turi įtakos fotodetektoriaus sandūros talpai, taip paveikdama fotodetektoriaus greitį ir pralaidumą. Be to, kuo didesnė poslinkio įtampa, tuo didesnis greitis ir pralaidumas. Todėl, atsižvelgiant į fotodiodų šūvio triukšmą, tamsos srovę ir pralaidumo charakteristikas, protingas projektavimas turėtų būti atliekamas pagal faktinius projekto reikalavimus.

2. 1/f mirgėjimo triukšmas

1/f triukšmas, dar vadinamas mirgėjimo triukšmu, daugiausia atsiranda žemų dažnių diapazone ir yra susijęs su tokiais veiksniais kaip medžiagos defektai ar paviršiaus švara. Iš jo spektrinės charakteristikos diagramos matyti, kad jo galios spektrinis tankis aukšto dažnio diapazone yra žymiai mažesnis nei žemo dažnio diapazone, o kaskart padidinus dažnį 100 kartų, spektrinio tankio triukšmas tiesiškai sumažėja 10 kartų. 1/f triukšmo galios spektrinis tankis yra atvirkščiai proporcingas dažniui, t. y.:

Tarp jų:

SI(f): Triukšmo galios spektrinis tankis

Aš: Dabartinis

f: Dažnis

1/f triukšmas yra reikšmingas žemų dažnių diapazone ir silpnėja didėjant dažniui. Dėl šios savybės jis yra pagrindinis trukdžių šaltinis žemų dažnių taikymuose. 1/f ir plačiajuostis triukšmas daugiausia kyla dėl fotodetektoriaus viduje esančio operacinio stiprintuvo įtampos triukšmo. Yra daug kitų triukšmo šaltinių, kurie turi įtakos fotodetektorių triukšmui, pavyzdžiui, operacinių stiprintuvų maitinimo šaltinio triukšmas, srovės triukšmas ir operacinių stiprintuvų grandinių stiprinimo varžos tinklo šiluminis triukšmas.

3. Operacinio stiprintuvo įtampos ir srovės triukšmas: Įtampos ir srovės spektriniai tankiai parodyti šiame paveikslėlyje:

Operacinių stiprintuvų grandinėse srovės triukšmas skirstomas į sinfazės srovės triukšmą ir invertuojančios srovės triukšmą. Sinfazės srovės triukšmas i+ teka per šaltinio vidinę varžą Rs, sukurdamas ekvivalentinį įtampos triukšmą u1 = i+*Rs. Invertuojančios srovės triukšmas teka per stiprinimo ekvivalentinį rezistorių R, ​​sukurdamas ekvivalentinį įtampos triukšmą u2 = I-*R. Taigi, kai maitinimo šaltinio RS yra didelis, iš srovės triukšmo konvertuojamas įtampos triukšmas taip pat yra labai didelis. Todėl, siekiant optimizuoti triukšmą, maitinimo šaltinio triukšmas (įskaitant vidinę varžą) taip pat yra pagrindinė optimizavimo kryptis. Srovės triukšmo spektrinis tankis taip pat nekinta kintant dažniui. Todėl, sustiprintas grandinės, jis, kaip ir fotodiodo tamsioji srovė, visapusiškai sudaro fotodetektoriaus šūvio triukšmą.

4. Operacinio stiprintuvo grandinės stiprinimo (stiprinimo koeficiento) varžos tinklo šiluminį triukšmą galima apskaičiuoti pagal šią formulę:

Tarp jų:

k: Bolcmano konstanta (1,38 × 10⁻²⁸J/K)

T: Absoliutinė temperatūra (K)

R: Varža (omai) – šiluminis triukšmas yra susijęs su temperatūra ir varžos verte, o jo spektras yra plokščias. Iš formulės matyti, kad kuo didesnė stiprinimo varžos vertė, tuo didesnis šiluminis triukšmas. Kuo didesnis pralaidumas, tuo didesnis ir šiluminis triukšmas. Todėl, norint užtikrinti, kad varžos vertė ir pralaidumo vertė atitiktų tiek stiprinimo, tiek pralaidumo reikalavimus ir galiausiai mažo triukšmo arba didelio signalo ir triukšmo santykio reikalavimus, stiprinimo rezistorių pasirinkimą reikia atidžiai apsvarstyti ir įvertinti atsižvelgiant į faktinius projekto reikalavimus, kad būtų pasiektas idealus sistemos signalo ir triukšmo santykis.

Santrauka

Triukšmo mažinimo technologijos vaidina svarbų vaidmenį gerinant fotodetektorių ir elektroninių prietaisų našumą. Didelis tikslumas reiškia mažą triukšmą. Technologijoms reikalaujant didesnio tikslumo, fotodetektorių triukšmo, signalo ir triukšmo santykio bei ekvivalentinės triukšmo galios reikalavimai taip pat didėja.