Jak zmniejszyć szum fotodetektorów

Jak zmniejszyć szum fotodetektorów

Szum fotodetektorów obejmuje głównie: szum prądowy, szum termiczny, szum śrutowy, szum 1/f i szum szerokopasmowy itd. Ta klasyfikacja jest jedynie stosunkowo ogólna. Tym razem przedstawimy bardziej szczegółową charakterystykę i klasyfikację szumu, aby pomóc wszystkim lepiej zrozumieć wpływ różnych rodzajów szumu na sygnały wyjściowe fotodetektorów. Tylko zrozumienie źródeł szumu pozwoli nam lepiej zredukować i poprawić szum fotodetektorów, optymalizując w ten sposób stosunek sygnału do szumu w systemie.

Szum śrutowy to losowa fluktuacja spowodowana dyskretną naturą nośników ładunku. Szczególnie w przypadku efektu fotoelektrycznego, gdy fotony uderzają w elementy światłoczułe, generując elektrony, generacja tych elektronów jest losowa i zgodna z rozkładem Poissona. Charakterystyka widmowa szumu śrutowego jest płaska i niezależna od częstotliwości, dlatego nazywa się go również szumem białym. Opis matematyczny: Wartość średniokwadratową (RMS) szumu śrutowego można wyrazić wzorem:

Wśród nich:

e: Ładunek elektroniczny (około 1,6 × 10-19 kulomba)

Idark: Ciemny prąd

Δf: Szerokość pasma

Szum śrutowy jest proporcjonalny do natężenia prądu i jest stabilny dla wszystkich częstotliwości. We wzorze Idark reprezentuje prąd ciemny fotodiody. Oznacza to, że przy braku światła fotodioda ma niepożądany szum prądu ciemnego. Podobnie jak w przypadku szumu w samym przednim końcu fotodetektora, im większy prąd ciemny, tym większy szum fotodetektora. Na prąd ciemny wpływa również napięcie robocze polaryzacji fotodiody, tzn. im wyższe napięcie robocze polaryzacji, tym większy prąd ciemny. Napięcie robocze polaryzacji wpływa jednak również na pojemność złącza fotodetektora, wpływając w ten sposób na prędkość i szerokość pasma fotodetektora. Ponadto, im wyższe napięcie polaryzacji, tym większa prędkość i szerokość pasma. Dlatego też, biorąc pod uwagę szum śrutowy, prąd ciemny i wydajność szerokości pasma fotodiody, należy przeprowadzić rozsądny projekt zgodnie z rzeczywistymi wymaganiami projektu.

2. 1/f Szum migotania

Szum 1/f, znany również jako szum migotania, występuje głównie w zakresie niskich częstotliwości i jest związany z czynnikami takimi jak wady materiałowe czy czystość powierzchni. Z wykresu charakterystyki widmowej wynika, że ​​gęstość widmowa mocy szumu 1/f jest znacznie mniejsza w zakresie wysokich częstotliwości niż w zakresie niskich częstotliwości, a na każde 100-krotne zwiększenie częstotliwości gęstość widmowa szumu liniowo maleje 10-krotnie. Gęstość widmowa mocy szumu 1/f jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości, tj.:

Wśród nich:

SI(f): gęstość widmowa mocy szumu

I: Aktualny

f: Częstotliwość

Szum 1/f jest znaczący w zakresie niskich częstotliwości i słabnie wraz ze wzrostem częstotliwości. Ta cecha sprawia, że ​​jest on głównym źródłem zakłóceń w zastosowaniach niskoczęstotliwościowych. Szum 1/f i szum szerokopasmowy pochodzą głównie z szumu napięciowego wzmacniacza operacyjnego wewnątrz fotodetektora. Istnieje wiele innych źródeł szumu, które wpływają na szum fotodetektorów, takich jak szum zasilania wzmacniaczy operacyjnych, szum prądowy oraz szum termiczny sieci rezystancyjnej w układzie wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego.

3. Szum napięciowy i prądowy wzmacniacza operacyjnego: Gęstości widmowe napięcia i prądu pokazano na poniższym rysunku:

W obwodach wzmacniaczy operacyjnych szum prądowy dzieli się na szum prądowy w fazie i szum prądowy odwracający. Szum prądowy w fazie i+ przepływa przez rezystancję wewnętrzną źródła Rs, generując równoważny szum napięciowy u1=i+*Rs. Szum prądowy odwracający I- przepływa przez rezystor równoważny wzmocnieniu R, generując równoważny szum napięciowy u2=I-*R. Tak więc, gdy RS zasilacza jest duże, szum napięciowy przekształcony z szumu prądowego jest również bardzo duży. Dlatego, aby zoptymalizować szum, szum zasilania (w tym rezystancja wewnętrzna) jest również kluczowym kierunkiem optymalizacji. Gęstość widmowa szumu prądowego również nie zmienia się wraz ze zmianami częstotliwości. Dlatego po wzmocnieniu przez obwód, podobnie jak prąd ciemny fotodiody, kompleksowo tworzy szum śrutowy fotodetektora.

4. Szum cieplny sieci rezystancyjnej dla wzmocnienia (współczynnika wzmocnienia) układu wzmacniacza operacyjnego można obliczyć korzystając z następującego wzoru:

Wśród nich:

k: stała Boltzmanna (1,38 × 10-23J/K)

T: Temperatura bezwzględna (K)

R: Szum termiczny rezystancji (w omach) jest związany z temperaturą i wartością rezystancji, a jego widmo jest płaskie. Ze wzoru wynika, że ​​im większa wartość rezystancji wzmocnienia, tym większy szum termiczny. Im większa szerokość pasma, tym większy będzie również szum termiczny. Dlatego, aby zapewnić, że wartość rezystancji i szerokość pasma spełniają zarówno wymagania dotyczące wzmocnienia, jak i szerokości pasma, a ostatecznie również wymagania dotyczące niskiego lub wysokiego stosunku sygnału do szumu, dobór rezystorów wzmocnienia należy starannie rozważyć i ocenić w oparciu o rzeczywiste wymagania projektu, aby uzyskać idealny stosunek sygnału do szumu systemu.

Streszczenie

Technologia redukcji szumów odgrywa znaczącą rolę w zwiększaniu wydajności fotodetektorów i urządzeń elektronicznych. Wysoka precyzja oznacza niski poziom szumów. Wraz ze wzrostem wymagań technologicznych, wymagania dotyczące szumów, stosunku sygnału do szumu i równoważnej mocy szumów fotodetektorów również rosną.