Kā samazināt fotodetektoru troksni

Kā samazināt fotodetektoru troksni

Fotodetektoru troksnis galvenokārt ietver: strāvas troksni, termisko troksni, šāviena troksni, 1/f troksni un platjoslas troksni utt. Šī klasifikācija ir tikai relatīvi aptuvena. Šoreiz mēs iepazīstināsim ar detalizētākām trokšņu īpašībām un klasifikācijām, lai palīdzētu ikvienam labāk izprast dažādu trokšņu veidu ietekmi uz fotodetektoru izejas signāliem. Tikai izprotot trokšņa avotus, mēs varam labāk samazināt un uzlabot fotodetektoru troksni, tādējādi optimizējot sistēmas signāla un trokšņa attiecību.

Šāviena troksnis ir nejauša svārstība, ko izraisa lādiņnesēju diskrētā daba. Īpaši fotoelektriskā efekta gadījumā, kad fotoni triecas pret gaismjutīgiem komponentiem, ģenerējot elektronus, šo elektronu ģenerēšana ir nejauša un atbilst Puasona sadalījumam. Šāviena trokšņa spektrālās īpašības ir plakanas un neatkarīgas no frekvences lieluma, tāpēc to sauc arī par balto troksni. Matemātiskais apraksts: Šāviena trokšņa vidējo kvadrātisko (RMS) vērtību var izteikt kā:

Starp tiem:

e: elektroniskais lādiņš (aptuveni 1,6 × 10⁻¹ kuloni)

Idark: Tumšā strāva

Δf: Joslas platums

Šāviena troksnis ir proporcionāls strāvas lielumam un ir stabils visās frekvencēs. Formulā Idark apzīmē fotodiodes tumšo strāvu. Tas nozīmē, ka gaismas trūkuma gadījumā fotodiodei rodas nevēlams tumšās strāvas troksnis. Tā kā fotodetektora priekšējā galā ir raksturīgs troksnis, jo lielāka ir tumšās strāvas strāva, jo lielāks ir fotodetektora troksnis. Tumšās strāvas lielumu ietekmē arī fotodiodes nobīdes darba spriegums, tas ir, jo lielāks ir nobīdes darba spriegums, jo lielāka ir tumšās strāvas lielums. Tomēr nobīdes darba spriegums ietekmē arī fotodetektora savienojuma kapacitāti, tādējādi ietekmējot fotodetektora ātrumu un joslas platumu. Turklāt, jo lielāks ir nobīdes spriegums, jo lielāks ir ātrums un joslas platums. Tāpēc fotodiodes šāviena trokšņa, tumšās strāvas un joslas platuma raksturlielumu ziņā saprātīga konstrukcija jāveic atbilstoši faktiskajām projekta prasībām.

2. 1/f mirgošanas troksnis

1/f troksnis, kas pazīstams arī kā mirgošanas troksnis, galvenokārt rodas zemfrekvences diapazonā un ir saistīts ar tādiem faktoriem kā materiāla defekti vai virsmas tīrība. No tā spektrālās raksturlīknes diagrammas var redzēt, ka tā jaudas spektrālais blīvums augstfrekvences diapazonā ir ievērojami mazāks nekā zemfrekvences diapazonā, un ar katru 100 reižu frekvences palielināšanos spektrālā blīvuma troksnis lineāri samazinās 10 reizes. 1/f trokšņa jaudas spektrālais blīvums ir apgriezti proporcionāls frekvencei, tas ir:

Starp tiem:

SI(f): trokšņa jaudas spektrālais blīvums

Es: Pašreizējais

f: Biežums

1/f troksnis ir ievērojams zemfrekvences diapazonā un vājinās, palielinoties frekvencei. Šī īpašība padara to par galveno traucējumu avotu zemfrekvences lietojumos. 1/f troksnis un platjoslas troksnis galvenokārt rodas no operacionālā pastiprinātāja sprieguma trokšņa fotodetektora iekšpusē. Ir daudzi citi trokšņa avoti, kas ietekmē fotodetektoru troksni, piemēram, operacionālā pastiprinātāja barošanas avota troksnis, strāvas troksnis un pretestības tīkla termiskais troksnis operacionālā pastiprinātāja shēmu pastiprinājumā.

3. Operacionālā pastiprinātāja sprieguma un strāvas troksnis: Sprieguma un strāvas spektra blīvumi ir parādīti šajā attēlā:

Operacionālā pastiprinātāja shēmās strāvas troksnis tiek sadalīts fāzes strāvas troksnī un invertējošās strāvas troksnī. Fāzes strāvas troksnis i+ plūst caur avota iekšējo pretestību Rs, radot ekvivalentu sprieguma troksni u1= i+*Rs. I- Invertējošās strāvas troksnis plūst caur pastiprinājuma ekvivalento rezistoru R, radot ekvivalentu sprieguma troksni u2= I-*R. Tātad, ja barošanas avota RS ir liels, no strāvas trokšņa pārveidotais sprieguma troksnis arī ir ļoti liels. Tāpēc, lai optimizētu labāku troksni, barošanas avota troksnis (ieskaitot iekšējo pretestību) ir arī galvenais optimizācijas virziens. Strāvas trokšņa spektrālais blīvums nemainās arī ar frekvences izmaiņām. Tāpēc pēc pastiprināšanas shot shot, tas, tāpat kā fotodiodes tumšā strāva, visaptveroši veido fotodetektora šāviena troksni.

4. Operacionālā pastiprinātāja ķēdes pastiprinājuma (pastiprinājuma koeficienta) pretestības tīkla termisko troksni var aprēķināt, izmantojot šādu formulu:

Starp tiem:

k: Bolcmana konstante (1,38 × 10⁻²⁸J/K)

T: Absolūtā temperatūra (K)

R: Pretestība (omi). Termiskais troksnis ir saistīts ar temperatūru un pretestības vērtību, un tā spektrs ir plakans. No formulas var redzēt, ka jo lielāka ir pastiprinājuma pretestības vērtība, jo lielāks ir termiskais troksnis. Jo lielāka ir joslas platums, jo lielāks būs arī termiskais troksnis. Tādēļ, lai nodrošinātu, ka pretestības vērtība un joslas platuma vērtība atbilst gan pastiprinājuma, gan joslas platuma prasībām un galu galā arī zemam trokšņa līmenim vai augstam signāla un trokšņa attiecībai, pastiprinājuma rezistoru izvēle ir rūpīgi jāapsver un jāizvērtē, pamatojoties uz faktiskajām projekta prasībām, lai sasniegtu ideālu sistēmas signāla un trokšņa attiecību.

Kopsavilkums

Trokšņa samazināšanas tehnoloģijai ir būtiska loma fotodetektoru un elektronisko ierīču veiktspējas uzlabošanā. Augsta precizitāte nozīmē zemu trokšņa līmeni. Tā kā tehnoloģija pieprasa lielāku precizitāti, arī fotodetektoru prasības attiecībā uz troksni, signāla un trokšņa attiecību un ekvivalento trokšņa jaudu kļūst arvien augstākas.