Kako smanjiti buku fotodetektora

Kako smanjiti buku fotodetektora

Šum fotodetektora uglavnom uključuje: strujni šum, termalni šum, šum sačme, 1/f šum i širokopojasni šum itd. Ova klasifikacija je samo relativno okvirna. Ovaj put ćemo predstaviti detaljnije karakteristike i klasifikacije šuma kako bismo svima pomogli da bolje razumiju utjecaj različitih vrsta šuma na izlazne signale fotodetektora. Samo razumijevanjem izvora šuma možemo bolje smanjiti i poboljšati šum fotodetektora, čime se optimizira odnos signal-šum sistema.

Šum sačme je slučajna fluktuacija uzrokovana diskretnom prirodom nosioca naboja. Posebno kod fotoelektričnog efekta, kada fotoni udaraju u fotosenzitivne komponente generirajući elektrone, generiranje tih elektrona je slučajno i u skladu je s Poissonovom raspodjelom. Spektralne karakteristike šuma sačme su ravne i neovisne o veličini frekvencije, te se stoga naziva i bijeli šum. Matematički opis: Srednja kvadratna (RMS) vrijednost šuma sačme može se izraziti kao:

Među njima:

e: Elektronski naboj (približno 1,6 × 10⁻¹⁴ kulona)

Idark: Tamna struja

Δf: Propusni opseg

Šum sačme proporcionalan je veličini struje i stabilan je na svim frekvencijama. U formuli, Idark predstavlja tamnu struju fotodiode. To jest, u odsustvu svjetlosti, fotodioda ima neželjeni šum tamne struje. Kao inherentni šum na samom prednjem kraju fotodetektora, što je veća tamna struja, to je veći šum fotodetektora. Na tamnu struju utiče i radni napon prednapona fotodiode, odnosno, što je veći radni napon prednapona, veća je tamna struja. Međutim, radni napon prednapona također utiče na kapacitet spoja fotodetektora, čime utiče na brzinu i propusni opseg fotodetektora. Štaviše, što je veći napon prednapona, veća je brzina i propusni opseg. Stoga, u smislu performansi fotodioda u pogledu šuma sačme, tamne struje i propusnog opsega, razuman dizajn treba provesti u skladu sa stvarnim zahtjevima projekta.

2. 1/f šum treperenja

1/f šum, također poznat kao šum treperenja, uglavnom se javlja u niskofrekventnom opsegu i povezan je s faktorima kao što su defekti materijala ili čistoća površine. Iz dijagrama njegovih spektralnih karakteristika može se vidjeti da je njegova spektralna gustoća snage znatno manja u visokofrekventnom opsegu nego u niskofrekventnom opsegu, i za svako povećanje frekvencije od 100 puta, spektralna gustoća šuma linearno se smanjuje za 10 puta. Spektralna gustoća snage 1/f šuma je obrnuto proporcionalna frekvenciji, tj.

Među njima:

SI(f) : Spektralna gustina snage šuma

I: Trenutni

f: Frekvencija

1/f šum je značajan u niskofrekventnom opsegu i slabi s povećanjem frekvencije. Ova karakteristika ga čini glavnim izvorom smetnji u niskofrekventnim primjenama. 1/f šum i širokopojasni šum uglavnom potiču od naponskog šuma operacionog pojačala unutar fotodetektora. Postoje mnogi drugi izvori šuma koji utiču na šum fotodetektora, kao što su šum napajanja operacionih pojačala, strujni šum i termički šum otporne mreže u pojačanju kola operacionih pojačala.

3. Naponski i strujni šum operacionog pojačala: Spektralne gustine napona i struje prikazane su na sljedećoj slici:

U krugovima operacijskih pojačala, strujni šum se dijeli na fazni strujni šum i invertirajući strujni šum. Fazni strujni šum i+ teče kroz unutarnji otpor izvora Rs, generirajući ekvivalentni naponski šum u1= i+*Rs. Invertirajući strujni šum I- teče kroz otpornik ekvivalentnog pojačanja R i generira ekvivalentni naponski šum u2= I-*R. Dakle, kada je RS napajanja velik, naponski šum konvertiran iz strujnog šuma je također vrlo velik. Stoga, radi optimizacije boljeg šuma, šum napajanja (uključujući unutarnji otpor) također je ključni smjer za optimizaciju. Spektralna gustoća strujnog šuma se ne mijenja ni s promjenama frekvencije. Stoga, nakon što ga kolo pojača, on, poput tamne struje fotodiode, sveobuhvatno formira šum sačme fotodetektora.

4. Termički šum otporne mreže za pojačanje (faktor pojačanja) kola operacionog pojačala može se izračunati pomoću sljedeće formule:

Među njima:

k: Boltzmannova konstanta (1,38 × 10-23J/K)

T: Apsolutna temperatura (K)

R: Otpor (omi) termalni šum povezan je s temperaturom i vrijednošću otpora, a njegov spektar je ravan. Iz formule se može vidjeti da što je veća vrijednost otpora pojačanja, to je veći termalni šum. Što je veći propusni opseg, to će veći biti i termalni šum. Stoga, kako bi se osiguralo da vrijednost otpora i vrijednost propusnog opsega zadovoljavaju i zahtjeve pojačanja i zahtjeve propusnog opsega, te u konačnici zahtijevaju i nizak šum ili visok odnos signal-šum, odabir otpornika za pojačanje treba pažljivo razmotriti i procijeniti na osnovu stvarnih zahtjeva projekta kako bi se postigao idealan odnos signal-šum sistema.

Sažetak

Tehnologija za poboljšanje šuma igra značajnu ulogu u poboljšanju performansi fotodetektora i elektronskih uređaja. Visoka preciznost znači nizak šum. Kako tehnologija zahtijeva veću preciznost, zahtjevi za šum, odnos signal-šum i ekvivalentnu snagu šuma fotodetektora također postaju sve veći i veći.