Како да се намали шумот на фотодетекторите

Како да се намали шумот на фотодетекторите

Шумот на фотодетекторите главно вклучува: струен шум, термички шум, шум од истрел, 1/f шум и широкопојасен шум итн. Оваа класификација е само релативно груба. Овој пат, ќе воведеме подетални карактеристики и класификации на шум за да им помогнеме на сите подобро да го разберат влијанието на различните видови шум врз излезните сигнали на фотодетекторите. Само со разбирање на изворите на шум можеме подобро да го намалиме и подобриме шумот на фотодетекторите, со што ќе го оптимизираме односот сигнал-шум на системот.

Шумот од истрел е случајна флуктуација предизвикана од дискретната природа на носителите на полнеж. Особено кај фотоелектричниот ефект, кога фотоните удираат во фотосензитивни компоненти за да генерираат електрони, генерирањето на овие електрони е случајно и е во согласност со Пуасонова распределба. Спектралните карактеристики на шумот од истрел се рамни и независни од големината на фреквенцијата, и затоа се нарекува и бел шум. Математички опис: Вредноста на средниот квадратен корен (RMS) на шумот од истрел може да се изрази како:

Меѓу нив:

e: Електронски полнеж (приближно 1,6 × 10-19 кулони)

Idark: Темна струја

Δf: Пропусен опсег

Шумот од истрел е пропорционален на големината на струјата и е стабилен на сите фреквенции. Во формулата, Idark ја претставува темната струја на фотодиодата. Тоа е, во отсуство на светлина, фотодиодата има несакан шум од темна струја. Како вроден шум на самиот преден крај на фотодетекторот, колку е поголема темната струја, толку е поголем шум на фотодетекторот. Темната струја е исто така под влијание на работниот напон на поларизацијата на фотодиодата, односно колку е поголем работниот напон на поларизацијата, толку е поголема темната струја. Сепак, работниот напон на поларизацијата влијае и на спојната капацитивност на фотодетекторот, со што влијае на брзината и пропусниот опсег на фотодетекторот. Покрај тоа, колку е поголем напонот на поларизацијата, толку е поголема брзината и пропусниот опсег. Затоа, во однос на шумот од истрел, темната струја и пропусниот опсег на перформансите на фотодиодите, разумно проектирање треба да се изврши според реалните барања на проектот.

2. 1/f шум од треперење

1/f шумот, познат и како треперечки шум, главно се јавува во нискофреквентниот опсег и е поврзан со фактори како што се дефекти на материјалот или чистота на површината. Од неговиот спектрален карактеристичен дијаграм, може да се види дека неговата спектрална густина на моќност е значително помала во високофреквентниот опсег отколку во нискофреквентниот опсег, и за секои 100 пати зголемување на фреквенцијата, шумот на спектралната густина линеарно се намалува за 10 пати. Спектралната густина на моќност на 1/f шумот е обратно пропорционална на фреквенцијата, односно:

Меѓу нив:

SI(f): Спектрална густина на моќноста на шумот

Јас: Тековна

f: Фреквенција

Шумот од 1/f е значаен во нискофреквентниот опсег и слабее со зголемувањето на фреквенцијата. Оваа карактеристика го прави главен извор на пречки во нискофреквентните апликации. Шумот од 1/f и широкопојасниот шум главно доаѓаат од напонскиот шум на оперативниот засилувач во фотодетекторот. Постојат многу други извори на шум што влијаат на шумот на фотодетекторите, како што се шумот од напојувањето на оперативните засилувачи, шумот од струјата и термичкиот шум на мрежата на отпорници во засилувањето на колата на оперативниот засилувач.

3. Шум на напонот и струјата на оперативниот засилувач: Спектралните густини на напонот и струјата се прикажани на следната слика:

Во колата на оперативни засилувачи, струјниот шум е поделен на вофазен струен шум и инвертен струен шум. Вофазниот струен шум i+ тече низ внатрешниот отпор на изворот Rs, генерирајќи еквивалентен напонски шум u1= i+*Rs. I- Инвертен струен шум тече низ еквивалентниот отпорник на засилување R за да генерира еквивалентен напонски шум u2= I-*R. Значи, кога RS на напојувањето е голем, напонскиот шум конвертиран од струен шум е исто така многу голем. Затоа, за да се оптимизира за подобар шум, шумот на напојувањето (вклучувајќи го и внатрешниот отпор) е исто така клучна насока за оптимизација. Спектралната густина на струјниот шум не се менува со варијациите на фреквенцијата. Затоа, откако ќе се засили од колото, тој, како темната струја на фотодиодата, сеопфатно го формира шумот на истрелот на фотодетекторот.

4. Топлинскиот шум на мрежата на отпор за засилување (фактор на засилување) на колото на оперативниот засилувач може да се пресмета со помош на следната формула:

Меѓу нив:

k: Болцманова константа (1,38 × 10-23J/K)

T: Апсолутна температура (K)

R: Термичкиот шум на отпорот (оми) е поврзан со температурата и вредноста на отпорот, а неговиот спектар е рамен. Од формулата може да се види дека колку е поголема вредноста на отпорот на засилување, толку е поголем топлинскиот шум. Колку е поголем пропусниот опсег, толку е поголем и топлинскиот шум. Затоа, за да се осигури дека вредноста на отпорот и вредноста на пропусниот опсег ги задоволуваат и барањата за засилување и барањата за пропусен опсег, а на крајот бараат и низок шум или висок однос сигнал-шум, изборот на отпорници за засилување треба внимателно да се разгледа и оцени врз основа на реалните барања на проектот за да се постигне идеален однос сигнал-шум на системот.

Резиме

Технологијата за подобрување на шумот игра значајна улога во подобрувањето на перформансите на фотодетекторите и електронските уреди. Високата прецизност значи низок шум. Бидејќи технологијата бара поголема прецизност, барањата за шум, однос сигнал-шум и еквивалентна моќност на шум на фотодетекторите исто така стануваат сè поголеми.