Hogyan csökkenthető a fotodetektorok zaja?

Hogyan csökkenthető a fotodetektorok zaja?

A fotodetektorok zaja főként az alábbiakat foglalja magában: áramzaj, hőzaj, lövészaj, 1/f-zaj és szélessávú zaj stb. Ez az osztályozás csak egy viszonylag hozzávetőleges. Ezúttal részletesebb zajjellemzőket és osztályozásokat mutatunk be, hogy mindenki jobban megértse a különféle zajtípusok hatását a fotodetektorok kimeneti jeleire. Csak a zajforrások megértésével tudjuk jobban csökkenteni és javítani a fotodetektorok zaját, ezáltal optimalizálva a rendszer jel-zaj arányát.

A lövészaj a töltéshordozók diszkrét természetéből adódó véletlenszerű ingadozás. Különösen a fotoelektromos hatás során, amikor a fotonok fényérzékeny alkatrészekbe csapódnak elektronokat generálva, ezeknek az elektronoknak a keletkezése véletlenszerű és a Poisson-eloszlásnak felel meg. A lövészaj spektrális jellemzői laposak és függetlenek a frekvencia nagyságától, ezért fehérzajnak is nevezik. Matematikai leírás: A lövészaj négyzetes középértéke (RMS) a következőképpen fejezhető ki:

Köztük:

e: Elektronikus töltés (körülbelül 1,6 × 10⁻⁹ coulomb)

Idark: Sötét áramlat

Δf: Sávszélesség

A lövészaj arányos az áram nagyságával, és minden frekvencián stabil. A képletben az Idark a fotodióda sötétáramát jelöli. Vagyis fény hiányában a fotodióda nemkívánatos sötétáram-zajjal rendelkezik. Mivel a fotodetektor elején inherens zaj van, minél nagyobb a sötétáram, annál nagyobb a fotodetektor zaja. A sötétáramot a fotodióda előfeszítő üzemi feszültsége is befolyásolja, azaz minél nagyobb az előfeszítő üzemi feszültség, annál nagyobb a sötétáram. Az előfeszítő üzemi feszültség azonban a fotodetektor átmeneti kapacitását is befolyásolja, ezáltal befolyásolva a fotodetektor sebességét és sávszélességét. Továbbá, minél nagyobb az előfeszítő feszültség, annál nagyobb a sebesség és a sávszélesség. Ezért a fotodiódák lövészajának, sötétáramának és sávszélességének teljesítménye tekintetében a tényleges projektkövetelményeknek megfelelően kell ésszerű tervezést végezni.

2. 1/f Villogási zaj

Az 1/f zaj, más néven villogási zaj, főként az alacsony frekvenciatartományban fordul elő, és olyan tényezőkhöz kapcsolódik, mint az anyaghibák vagy a felület tisztasága. Spektrális jelleggörbéjéből látható, hogy a teljesítménysűrűsége jelentősen kisebb a magas frekvenciatartományban, mint az alacsony frekvenciatartományban, és a frekvencia minden 100-szoros növekedésével a spektrális sűrűségzaj lineárisan 10-szeresére csökken. Az 1/f zaj teljesítménysűrűsége fordítottan arányos a frekvenciával, azaz:

Köztük:

SI(f): Zaj teljesítmény spektrális sűrűsége

I: Jelenlegi

f: Gyakoriság

Az 1/f zaj jelentős az alacsony frekvenciatartományban, és a frekvencia növekedésével gyengül. Ez a tulajdonsága az alacsony frekvenciájú alkalmazásokban az interferencia egyik fő forrásává teszi. Az 1/f zaj és a szélessávú zaj főként a fotodetektoron belüli műveleti erősítő feszültségzajából származik. Számos más zajforrás is befolyásolja a fotodetektorok zaját, például a műveleti erősítők tápellátásának zaja, az áramzaj és az ellenálláshálózat hőzaja a műveleti erősítő áramkörök erősítésében.

3. A műveleti erősítő feszültség- és áramzaja: A feszültség- és áramspektrum-sűrűségeket a következő ábra mutatja:

A műveleti erősítő áramkörökben az áramzaj fázisban lévő áramzajra és invertáló áramzajra oszlik. Az i+ fázisban lévő áramzaj átfolyik a forrás belső Rs ellenállásán, u1= i+*Rs feszültségzajt generálva. Az I- invertáló áramzaj átfolyik az erősítéssel egyenértékű R ellenálláson, u2= I-*R feszültségzajt generálva. Tehát, amikor a tápegység RS értéke nagy, az áramzajból átalakított feszültségzaj is nagyon nagy. Ezért a jobb zajszint optimalizálása érdekében a tápegység zaja (beleértve a belső ellenállást is) szintén kulcsfontosságú optimalizálási irány. Az áramzaj spektrális sűrűsége a frekvenciaváltozásokkal sem változik. Ezért, miután az áramkör felerősítette, a fotodióda sötétáramához hasonlóan átfogóan alkotja a fotodetektor lövészaját.

4. Az ellenálláshálózat hőzaját az operációs erősítő áramkörének erősítéséhez (erősítési tényezőjéhez) a következő képlettel lehet kiszámítani:

Köztük:

k: Boltzmann-állandó (1,38 × 10⁻²⁸J/K)

T: Abszolút hőmérséklet (K)

R: Az ellenállás (ohm) hőzaj a hőmérséklettel és az ellenállás értékével van összefüggésben, spektruma pedig lapos. A képletből látható, hogy minél nagyobb az erősítési ellenállás értéke, annál nagyobb a hőzaj. Minél nagyobb a sávszélesség, annál nagyobb a hőzaj is. Ezért annak érdekében, hogy az ellenállás és a sávszélesség értéke megfeleljen mind az erősítési, mind a sávszélesség-követelményeknek, és végső soron az alacsony zajszintnek vagy a magas jel-zaj viszonynak, az erősítési ellenállások kiválasztását gondosan mérlegelni és a tényleges projektkövetelmények alapján értékelni kell a rendszer ideális jel-zaj arányának elérése érdekében.

Összefoglalás

A zajcsökkentő technológia jelentős szerepet játszik a fotodetektorok és elektronikus eszközök teljesítményének javításában. A nagy pontosság alacsony zajszintet jelent. Ahogy a technológia egyre nagyobb pontosságot követel meg, a fotodetektorok zajszintjére, jel-zaj arányára és egyenértékű zajteljesítményére vonatkozó követelmények is egyre magasabbak.