Cum se reduce zgomotul fotodetectorilor

Cum se reduce zgomotul fotodetectorilor

Zgomotul fotodetectorilor include în principal: zgomotul de curent, zgomotul termic, zgomotul de împușcătură, zgomotul 1/f și zgomotul de bandă largă etc. Această clasificare este doar una relativ aproximativă. De data aceasta, vom introduce caracteristici și clasificări ale zgomotului mai detaliate pentru a ajuta pe toată lumea să înțeleagă mai bine impactul diferitelor tipuri de zgomot asupra semnalelor de ieșire ale fotodetectorilor. Numai prin înțelegerea surselor de zgomot putem reduce și îmbunătăți mai bine zgomotul fotodetectorilor, optimizând astfel raportul semnal-zgomot al sistemului.

Zgomotul de împușcătură este o fluctuație aleatorie cauzată de natura discretă a purtătorilor de sarcină. În special în efectul fotoelectric, atunci când fotonii lovesc componentele fotosensibile pentru a genera electroni, generarea acestor electroni este aleatorie și conformă distribuției Poisson. Caracteristicile spectrale ale zgomotului de împușcătură sunt plate și independente de magnitudinea frecvenței și, prin urmare, se numește și zgomot alb. Descriere matematică: Valoarea medie pătratică (RMS) a zgomotului de împușcătură poate fi exprimată ca:

Printre acestea:

e: Sarcină electronică (aproximativ 1,6 × 10⁻¹⁹ coulombi)

Idark: Curent întunecat

Δf: Lățime de bandă

Zgomotul de împușcare este proporțional cu magnitudinea curentului și este stabil la toate frecvențele. În formulă, Idark reprezintă curentul de întuneric al fotodiodei. Adică, în absența luminii, fotodioda are un zgomot de curent de întuneric nedorit. Deoarece există zgomot inerent chiar în partea frontală a fotodetectorului, cu cât curentul de întuneric este mai mare, cu atât zgomotul fotodetectorului este mai mare. Curentul de întuneric este, de asemenea, afectat de tensiunea de polarizare a fotodiodei, adică, cu cât tensiunea de polarizare este mai mare, cu atât curentul de întuneric este mai mare. Cu toate acestea, tensiunea de polarizare afectează și capacitatea joncțiunii fotodetectorului, influențând astfel viteza și lățimea de bandă a fotodetectorului. Mai mult, cu cât tensiunea de polarizare este mai mare, cu atât viteza și lățimea de bandă sunt mai mari. Prin urmare, în ceea ce privește zgomotul de împușcare, curentul de întuneric și performanța lățimii de bandă a fotodiodelor, ar trebui efectuat un proiect rezonabil în funcție de cerințele reale ale proiectului.

2. Zgomot de pâlpâire 1/f

Zgomotul 1/f, cunoscut și sub denumirea de zgomot de pâlpâire, apare în principal în domeniul de frecvență joasă și este legat de factori precum defectele materialelor sau curățenia suprafeței. Din diagrama sa caracteristică spectrală, se poate observa că densitatea spectrală de putere este semnificativ mai mică în domeniul de înaltă frecvență decât în ​​domeniul de frecvență joasă, iar pentru fiecare creștere de 100 de ori a frecvenței, densitatea spectrală de zgomot scade liniar de 10 ori. Densitatea spectrală de putere a zgomotului 1/f este invers proporțională cu frecvența, adică:

Printre acestea:

SI(f) : Densitatea spectrală a puterii zgomotului

I: Curent

f: Frecvență

Zgomotul 1/f este semnificativ în gama de frecvențe joase și scade pe măsură ce frecvența crește. Această caracteristică îl face o sursă majoră de interferență în aplicațiile de frecvență joasă. Zgomotul 1/f și zgomotul de bandă largă provin în principal din zgomotul de tensiune al amplificatorului operațional din interiorul fotodetectorului. Există multe alte surse de zgomot care afectează zgomotul fotodetectorilor, cum ar fi zgomotul de alimentare al amplificatoarelor operaționale, zgomotul de curent și zgomotul termic al rețelei de rezistență în câștigul circuitelor amplificatoarelor operaționale.

3. Zgomotul de tensiune și curent al amplificatorului operațional: Densitățile spectrale de tensiune și curent sunt prezentate în figura următoare:

În circuitele amplificatoarelor operaționale, zgomotul de curent este împărțit în zgomot de curent în fază și zgomot de curent inversor. Zgomotul de curent în fază i+ trece prin rezistența internă a sursei Rs, generând un zgomot de tensiune echivalent u1 = i+*Rs. Zgomotul de curent inversor I- trece prin rezistența echivalentă cu amplificare R pentru a genera un zgomot de tensiune echivalent u2 = I-* R. Așadar, atunci când RS-ul sursei de alimentare este mare, zgomotul de tensiune convertit din zgomotul de curent este, de asemenea, foarte mare. Prin urmare, pentru a optimiza pentru un zgomot mai bun, zgomotul sursei de alimentare (inclusiv rezistența internă) este, de asemenea, o direcție cheie pentru optimizare. Densitatea spectrală a zgomotului de curent nu se modifică nici odată cu variațiile de frecvență. Prin urmare, după ce este amplificat de circuit, acesta, la fel ca curentul de întuneric al fotodiodei, formează în mod complet zgomotul de declanșare al fotodetectorului.

4. Zgomotul termic al rețelei de rezistență pentru câștigul (factorul de amplificare) al circuitului amplificatorului operațional poate fi calculat folosind următoarea formulă:

Printre acestea:

k: constanta Boltzmann (1,38 × 10⁻²³J/K)

T: Temperatura absolută (K)

R: Zgomotul termic al rezistenței (ohmi) este legat de temperatură și de valoarea rezistenței, iar spectrul său este plat. Din formulă se poate observa că, cu cât valoarea rezistenței de amplificare este mai mare, cu atât zgomotul termic este mai mare. Cu cât lățimea de bandă este mai mare, cu atât zgomotul termic va fi mai mare. Prin urmare, pentru a se asigura că valoarea rezistenței și valoarea lățimii de bandă îndeplinesc atât cerințele de amplificare, cât și cerințele de lățime de bandă și, în cele din urmă, necesită și un raport semnal-zgomot redus sau ridicat, selecția rezistențelor de amplificare trebuie luată în considerare și evaluată cu atenție pe baza cerințelor reale ale proiectului pentru a obține raportul semnal-zgomot ideal al sistemului.

Rezumat

Tehnologia de îmbunătățire a zgomotului joacă un rol semnificativ în îmbunătățirea performanței fotodetectoarelor și a dispozitivelor electronice. Precizia ridicată înseamnă zgomot redus. Pe măsură ce tehnologia necesită o precizie mai mare, cerințele privind zgomotul, raportul semnal-zgomot și puterea de zgomot echivalentă a fotodetectoarelor devin, de asemenea, din ce în ce mai mari.