Com reduir el soroll dels fotodetectors

Com reduir el soroll dels fotodetectors

El soroll dels fotodetectors inclou principalment: soroll de corrent, soroll tèrmic, soroll de tret, soroll 1/f i soroll de banda ampla, etc. Aquesta classificació és només relativament aproximada. Aquesta vegada, introduirem característiques i classificacions del soroll més detallades per ajudar a tothom a comprendre millor l'impacte de diversos tipus de soroll en els senyals de sortida dels fotodetectors. Només entenent les fonts de soroll podem reduir i millorar millor el soroll dels fotodetectors, optimitzant així la relació senyal-soroll del sistema.

El soroll de tret és una fluctuació aleatòria causada per la naturalesa discreta dels portadors de càrrega. Especialment en l'efecte fotoelèctric, quan els fotons colpegen components fotosensibles per generar electrons, la generació d'aquests electrons és aleatòria i s'ajusta a la distribució de Poisson. Les característiques espectrals del soroll de tret són planes i independents de la magnitud de freqüència, i per això també s'anomena soroll blanc. Descripció matemàtica: El valor arrel quadràtic mitjà (RMS) del soroll de tret es pot expressar com:

Entre ells:

e: Càrrega electrònica (aproximadament 1,6 × 10-19 coulombs)

Idark: Corrent fosc

Δf: Amplada de banda

El soroll de tret és proporcional a la magnitud del corrent i és estable en totes les freqüències. A la fórmula, Idark representa el corrent fosc del fotodíode. És a dir, en absència de llum, el fotodíode té un soroll de corrent fosc no desitjat. Com que hi ha soroll inherent a l'extrem frontal del fotodíode, com més gran sigui el corrent fosc, més gran serà el soroll del fotodetector. El corrent fosc també es veu afectat per la tensió de funcionament de polarització del fotodíode, és a dir, com més gran sigui la tensió de funcionament de polarització, més gran serà el corrent fosc. Tanmateix, la tensió de treball de polarització també afecta la capacitança de junció del fotodetector, influint així en la velocitat i l'amplada de banda del fotodetector. A més, com més gran sigui la tensió de polarització, més gran serà la velocitat i l'amplada de banda. Per tant, pel que fa al soroll de tret, el corrent fosc i el rendiment de l'amplada de banda dels fotodíodes, s'hauria de dur a terme un disseny raonable d'acord amb els requisits reals del projecte.

2. Soroll de parpelleig d'1/f

El soroll 1/f, també conegut com a soroll de parpelleig, es produeix principalment en el rang de baixa freqüència i està relacionat amb factors com ara defectes del material o neteja de la superfície. A partir del seu diagrama de característiques espectrals, es pot veure que la seva densitat espectral de potència és significativament menor en el rang d'alta freqüència que en el rang de baixa freqüència, i per cada augment de 100 vegades en freqüència, el soroll de densitat espectral disminueix linealment 10 vegades. La densitat espectral de potència del soroll 1/f és inversament proporcional a la freqüència, és a dir:

Entre ells:

SI(f): Densitat espectral de potència de soroll

I: Actual

f: Freqüència

El soroll 1/f és significatiu en el rang de baixa freqüència i s'afebleix a mesura que augmenta la freqüència. Aquesta característica el converteix en una font important d'interferències en aplicacions de baixa freqüència. El soroll 1/f i el soroll de banda ampla provenen principalment del soroll de voltatge de l'amplificador operacional dins del fotodetector. Hi ha moltes altres fonts de soroll que afecten el soroll dels fotodetectors, com ara el soroll de la font d'alimentació dels amplificadors operacionals, el soroll de corrent i el soroll tèrmic de la xarxa de resistència en el guany dels circuits amplificadors operacionals.

3. Soroll de voltatge i corrent de l'amplificador operacional: Les densitats espectrals de voltatge i corrent es mostren a la figura següent:

En els circuits d'amplificació operacional, el soroll de corrent es divideix en soroll de corrent en fase i soroll de corrent inversor. El soroll de corrent en fase i+ flueix a través de la resistència interna de la font Rs, generant un soroll de voltatge equivalent u1 = i+*Rs. El soroll de corrent inversor I- flueix a través de la resistència equivalent de guany R per generar un soroll de voltatge equivalent u2 = I-* R. Així, quan l'RS de la font d'alimentació és gran, el soroll de voltatge convertit a partir del soroll de corrent també és molt gran. Per tant, per optimitzar per a un millor soroll, el soroll de la font d'alimentació (inclosa la resistència interna) també és una direcció clau per a l'optimització. La densitat espectral del soroll de corrent tampoc canvia amb les variacions de freqüència. Per tant, després de ser amplificat pel circuit, com el corrent fosc del fotodíode, forma completament el soroll de tret del fotodetector.

4. El soroll tèrmic de la xarxa de resistències per al guany (factor d'amplificació) del circuit amplificador operacional es pot calcular mitjançant la fórmula següent:

Entre ells:

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

T: Temperatura absoluta (K)

R: El soroll tèrmic de la resistència (ohms) està relacionat amb la temperatura i el valor de la resistència, i el seu espectre és pla. Es pot veure a partir de la fórmula que com més gran sigui el valor de la resistència de guany, més gran serà el soroll tèrmic. Com més gran sigui l'amplada de banda, més gran serà també el soroll tèrmic. Per tant, per garantir que el valor de la resistència i el valor de l'amplada de banda compleixin tant els requisits de guany com els requisits d'amplada de banda, i en última instància també exigeixin una relació senyal-soroll baixa o alta, la selecció de les resistències de guany s'ha de considerar i avaluar acuradament en funció dels requisits reals del projecte per aconseguir la relació senyal-soroll ideal del sistema.

Resum

La tecnologia de millora del soroll juga un paper important en la millora del rendiment dels fotodetectors i els dispositius electrònics. Una alta precisió significa poc soroll. A mesura que la tecnologia exigeix ​​una major precisió, els requisits de soroll, relació senyal-soroll i potència de soroll equivalent dels fotodetectors també són cada cop més alts.