Ako znížiť šum fotodetektorov

Ako znížiť šum fotodetektorov

Šum fotodetektorov zahŕňa najmä: prúdový šum, tepelný šum, strelecký šum, 1/f šum a širokopásmový šum atď. Táto klasifikácia je len relatívne približná. Tentoraz si predstavíme podrobnejšie charakteristiky a klasifikácie šumu, aby sme každému pomohli lepšie pochopiť vplyv rôznych typov šumu na výstupné signály fotodetektorov. Iba pochopením zdrojov šumu môžeme lepšie znížiť a zlepšiť šum fotodetektorov, a tým optimalizovať pomer signálu k šumu systému.

Výstrelový šum je náhodná fluktuácia spôsobená diskrétnou povahou nosičov náboja. Najmä pri fotoelektrickom javu, keď fotóny narážajú na fotocitlivé komponenty a generujú elektróny, je generovanie týchto elektrónov náhodné a zodpovedá Poissonovmu rozdeleniu. Spektrálne charakteristiky výstrelového šumu sú ploché a nezávislé od veľkosti frekvencie, a preto sa nazýva aj biely šum. Matematický popis: Stredná kvadratická hodnota (RMS) výstrelového šumu možno vyjadriť ako:

Medzi nimi:

e: Elektronický náboj (približne 1,6 × 10⁻¹⁴ coulombov)

Idark: Temný prúd

Δf: Šírka pásma

Šum střely je úmerný veľkosti prúdu a je stabilný pri všetkých frekvenciách. Vo vzorci Idark predstavuje tmavý prúd fotodiódy. To znamená, že pri absencii svetla má fotodióda nežiaduci šum tmavého prúdu. Keďže ide o inherentný šum na samom prednom konci fotodetektora, čím väčší je tmavý prúd, tým väčší je šum fotodetektora. Tmavý prúd je tiež ovplyvnený prevádzkovým predpätím fotodiódy, to znamená, že čím väčšie je prevádzkové predpätie, tým väčší je tmavý prúd. Pracovné predpätie však ovplyvňuje aj kapacitu prechodu fotodetektora, čím ovplyvňuje rýchlosť a šírku pásma fotodetektora. Navyše, čím väčšie je predpätie, tým väčšia je rýchlosť a šírka pásma. Preto by sa z hľadiska šumu střely, tmavého prúdu a šírky pásma fotodiód mal vykonať rozumný návrh podľa skutočných požiadaviek projektu.

2. 1/f blikajúci šum

1/f šum, tiež známy ako blikajúci šum, sa vyskytuje prevažne v nízkofrekvenčnom rozsahu a súvisí s faktormi, ako sú materiálové chyby alebo čistota povrchu. Z jeho spektrálneho charakteristického diagramu je zrejmé, že jeho výkonová spektrálna hustota je vo vysokofrekvenčnom rozsahu výrazne menšia ako v nízkofrekvenčnom rozsahu a pri každom 100-násobnom zvýšení frekvencie sa spektrálna hustota šumu lineárne znižuje 10-krát. Výkonová spektrálna hustota 1/f šumu je nepriamo úmerná frekvencii, a to:

Medzi nimi:

SI(f) : Spektrálna hustota výkonu šumu

I: Prúd

f: Frekvencia

Šum 1/f je významný v nízkofrekvenčnom rozsahu a so zvyšujúcou sa frekvenciou slabne. Táto charakteristika z neho robí hlavný zdroj rušenia v nízkofrekvenčných aplikáciách. Šum 1/f a širokopásmový šum pochádzajú najmä z napäťového šumu operačného zosilňovača vo vnútri fotodetektora. Existuje mnoho ďalších zdrojov šumu, ktoré ovplyvňujú šum fotodetektorov, ako napríklad šum napájania operačných zosilňovačov, prúdový šum a tepelný šum odporovej siete v zosilnení obvodov operačných zosilňovačov.

3. Napäťový a prúdový šum operačného zosilňovača: Spektrálne hustoty napätia a prúdu sú znázornené na nasledujúcom obrázku:

V obvodoch operačných zosilňovačov sa prúdový šum delí na fázový prúdový šum a invertujúci prúdový šum. Fázový prúdový šum i+ preteká cez vnútorný odpor zdroja Rs a generuje ekvivalentný napäťový šum u1 = i+*Rs. Invertujúci prúdový šum I- preteká cez ekvivalentný zosilňovací rezistor R a generuje ekvivalentný napäťový šum u2 = I-*R. Takže keď je RS napájacieho zdroja veľký, napäťový šum konvertovaný z prúdového šumu je tiež veľmi veľký. Preto je pre optimalizáciu lepšieho šumu kľúčovým smerom optimalizácie aj šum napájacieho zdroja (vrátane vnútorného odporu). Spektrálna hustota prúdového šumu sa nemení ani so zmenami frekvencie. Preto po zosilnení obvodom, podobne ako tmavý prúd fotodiódy, komplexne tvorí záberový šum fotodetektora.

4. Tepelný šum odporovej siete pre zosilnenie (zosilňovací faktor) obvodu operačného zosilňovača možno vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:

Medzi nimi:

k: Boltzmannova konštanta (1,38 × 10⁻²⁻² J/K)

T: Absolútna teplota (K)

R: Odpor (ohmy) tepelný šum súvisí s teplotou a hodnotou odporu a jeho spektrum je ploché. Z vzorca vyplýva, že čím väčšia je hodnota zosilňovacieho odporu, tým väčší je tepelný šum. Čím väčšia je šírka pásma, tým väčší bude aj tepelný šum. Preto, aby sa zabezpečilo, že hodnota odporu a hodnota šírky pásma spĺňajú požiadavky na zosilnenie aj požiadavky na šírku pásma a v konečnom dôsledku aj požiadavky na nízky šum alebo vysoký pomer signálu k šumu, je potrebné starostlivo zvážiť a vyhodnotiť výber zosilňovacích rezistorov na základe skutočných požiadaviek projektu, aby sa dosiahol ideálny pomer signálu k šumu systému.

Zhrnutie

Technológia na zlepšenie šumu zohráva významnú úlohu pri zlepšovaní výkonu fotodetektorov a elektronických zariadení. Vysoká presnosť znamená nízky šum. Keďže technológia vyžaduje vyššiu presnosť, požiadavky na šum, pomer signálu k šumu a ekvivalentný šumový výkon fotodetektorov sa tiež zvyšujú a zvyšujú.