Како смањити буку фотодетектора

Како смањити буку фотодетектора

Шум фотодетектора углавном обухвата: струјни шум, термички шум, шум сачме, 1/f шум и широкопојасни шум итд. Ова класификација је само релативно груба. Овог пута ћемо представити детаљније карактеристике и класификације шума како бисмо свима помогли да боље разумеју утицај различитих врста шума на излазне сигнале фотодетектора. Само разумевањем извора шума можемо боље смањити и побољшати шум фотодетектора, чиме се оптимизује однос сигнал-шум система.

Шум сачме је случајна флуктуација узрокована дискретном природом носилаца наелектрисања. Посебно код фотоелектричног ефекта, када фотони ударају у фотосензитивне компоненте да би генерисали електроне, генерисање ових електрона је случајно и у складу је са Поасоновом расподелом. Спектралне карактеристике шума сачме су равне и независне од величине фреквенције, па се стога назива и бели шум. Математички опис: Средња квадратна (RMS) вредност шума сачме може се изразити као:

Међу њима:

е: Електронско наелектрисање (приближно 1,6 × 10⁻¹⁴ кулона)

Идарк: Тамна струја

Δf: Пропусни опсег

Шум сачме је пропорционалан величини струје и стабилан је на свим фреквенцијама. У формули, Idark представља тамну струју фотодиоде. То јест, у одсуству светлости, фотодиода има нежељени шум тамне струје. Како је инхерентни шум на самом предњем крају фотодетектора, што је већа тамна струја, то је већи шум фотодетектора. На тамну струју утиче и радни напон преднапона фотодиоде, односно што је већи радни напон преднапона, то је већа тамна струја. Међутим, радни напон преднапона такође утиче на капацитивност споја фотодетектора, чиме утиче на брзину и пропусни опсег фотодетектора. Штавише, што је већи напон преднапона, то је већа брзина и пропусни опсег. Стога, у погледу перформанси шума сачме, тамне струје и пропусног опсега фотодиода, разумно пројектовање треба извршити у складу са стварним захтевима пројекта.

2. 1/f Шум треперења

1/f шум, такође познат као шум фликера, углавном се јавља у нискофреквентном опсегу и повезан је са факторима као што су дефекти материјала или чистоћа површине. Из његовог дијаграма спектралних карактеристика може се видети да је његова спектрална густина снаге знатно мања у високофреквентном опсегу него у нискофреквентном опсегу, и за свако повећање фреквенције од 100 пута, спектрална густина шума линеарно се смањује за 10 пута. Спектрална густина снаге 1/f шума је обрнуто пропорционална фреквенцији, односно:

Међу њима:

SI(f) : Спектрална густина снаге шума

I: Тренутна

f: Фреквенција

1/f шум је значајан у нискофреквентном опсегу и слаби са повећањем фреквенције. Ова карактеристика га чини главним извором сметњи у нискофреквентним применама. 1/f шум и широкопојасни шум углавном потичу од напонског шума операционог појачавача унутар фотодетектора. Постоји много других извора шума који утичу на шум фотодетектора, као што су шум напајања операционих појачавача, струјни шум и термички шум отпорне мреже у појачању кола операционог појачавача.

3. Шум напона и струје операционог појачавача: Спектралне густине напона и струје приказане су на следећој слици:

У колима операционих појачала, струјни шум се дели на фазни струјни шум и инвертујући струјни шум. Фазни струјни шум i+ протиче кроз унутрашњи отпор извора Rs, генеришући еквивалентни напонски шум u1= i+*Rs. Инвертујући струјни шум I- протиче кроз еквивалентни отпорник појачања R да би генерисао еквивалентни напонски шум u2= I-* R. Дакле, када је RS извора напајања велики, напонски шум конвертован из струјног шума је такође веома велики. Стога, ради оптимизације бољег шума, шум извора напајања (укључујући унутрашњи отпор) је такође кључни правац за оптимизацију. Спектрална густина струјног шума се не мења ни са променама фреквенције. Стога, након што га коло појача, он, попут тамне струје фотодиоде, свеобухватно формира шум сачме фотодетектора.

4. Термички шум отпорне мреже за појачање (фактор појачања) кола операционог појачавача може се израчунати помоћу следеће формуле:

Међу њима:

k: Болцманова константа (1,38 × 10⁻²⁻² Ј/K)

Т: Апсолутна температура (К)

R: Отпор (оми) термички шум је повезан са температуром и вредношћу отпора, а његов спектар је раван. Из формуле се може видети да што је већа вредност отпора појачања, то је већи термички шум. Што је већи пропусни опсег, то ће већи бити и термички шум. Стога, да би се осигурало да вредност отпора и вредност пропусног опсега задовољавају и захтеве појачања и захтеве пропусног опсега, и на крају захтевају и низак шум или висок однос сигнал-шум, избор отпорника за појачање мора се пажљиво размотрити и проценити на основу стварних захтева пројекта како би се постигао идеалан однос сигнал-шум система.

Резиме

Технологија за побољшање шума игра значајну улогу у побољшању перформанси фотодетектора и електронских уређаја. Висока прецизност значи низак ниво шума. Како технологија захтева већу прецизност, захтеви за шум, однос сигнал-шум и еквивалентну снагу шума фотодетектора такође постају све већи и већи.