Kako smanjiti šum fotodetektora

Kako smanjiti šum fotodetektora

Šum fotodetektora uglavnom uključuje: strujni šum, toplinski 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 omjer signala i šuma sustava.

Šum sačme je slučajna fluktuacija uzrokovana diskretnom prirodom nositelja naboja. Posebno kod fotoelektričnog efekta, kada fotoni udaraju u fotosenzibilne komponente stvarajući elektrone, generiranje tih elektrona je slučajno i u skladu s Poissonovom distribucijom. Spektralne karakteristike šuma sačme su ravne i neovisne o frekvenciji, te se stoga naziva i bijelim šumom. Matematički opis: Srednja kvadratna vrijednost (RMS) šuma sačme može se izraziti kao:

Među njima:

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

Idark: Tamna struja

Δf: Propusnost

Šum sačme proporcionalan je veličini struje i stabilan je na svim frekvencijama. U formuli, Idark predstavlja tamnu struju fotodiode. To jest, u nedostatku svjetla, 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 utječe i radni napon prednapona fotodiode, odnosno što je veći radni napon prednapona, to je veća tamna struja. Međutim, radni napon prednapona također utječe na kapacitet spoja fotodetektora, čime utječe na brzinu i propusnost fotodetektora. Štoviše, što je veći napon prednapona, to je veća brzina i propusnost. Stoga, u smislu performansi fotodioda u pogledu šuma sačme, tamne struje i propusnosti, razuman dizajn treba provesti prema stvarnim zahtjevima projekta.

2. 1/f šum treperenja

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

Među njima:

SI(f): Spektralna gustoća snage šuma

I: Struja

f: Frekvencija

1/f šum je značajan u niskofrekventnom području i slabi s porastom frekvencije. Ova karakteristika ga čini glavnim izvorom smetnji u niskofrekventnim primjenama. 1/f šum i širokopojasni šum uglavnom potječu od naponskog šuma operacijskog pojačala unutar fotodetektora. Postoje mnogi drugi izvori šuma koji utječu na šum fotodetektora, kao što su šum napajanja operacijskih pojačala, strujni šum i toplinski šum otporne mreže u pojačanju sklopova operacijskog pojačala.

3. Šum napona i struje operacijskog pojačala: Spektralne gustoće napona i struje prikazane su na sljedećoj slici:

U sklopovima 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 ekvivalentni otpornik pojačanja R i generira ekvivalentni naponski šum u2= I-* R. Dakle, kada je RS napajanja velik, naponski šum pretvoren iz strujnog šuma također je vrlo velik. Stoga je, radi optimizacije boljeg šuma, šum napajanja (uključujući unutarnji otpor) također ključni smjer za optimizaciju. Spektralna gustoća strujnog šuma se ne mijenja ni s promjenama frekvencije. Stoga, nakon što ga sklop pojača, on, poput tamne struje fotodiode, sveobuhvatno formira šum sačme fotodetektora.

4. Toplinski šum otporne mreže za pojačanje (faktor pojačanja) operacijskog pojačala može se izračunati pomoću sljedeće formule:

Među njima:

k: Boltzmannova konstanta (1,38 × 10⁻²⁻³J/K)

T: Apsolutna temperatura (K)

R: Otpor (omi) toplinski šum povezan je s temperaturom i vrijednošću otpora, a njegov spektar je ravan. Iz formule se vidi da što je veća vrijednost otpora pojačanja, to je veći toplinski šum. Što je veća propusnost, to će veći biti i toplinski šum. Stoga, kako bi se osiguralo da vrijednost otpora i vrijednost propusnosti zadovoljavaju i zahtjeve pojačanja i zahtjeve propusnosti, te u konačnici zahtijevaju i nizak šum ili visok omjer signala i šuma, odabir otpornika pojačanja treba pažljivo razmotriti i procijeniti na temelju stvarnih zahtjeva projekta kako bi se postigao idealan omjer signala i šuma sustava.

Sažetak

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