Як зменшити шум фотодетекторів

Як зменшити шум фотодетекторів

Шум фотодетекторів в основному включає: струмовий шум, тепловий шум, дробовий шум, 1/f-шум та широкосмуговий шум тощо. Ця класифікація є лише відносно приблизною. Цього разу ми представимо більш детальні характеристики та класифікації шуму, щоб допомогти всім краще зрозуміти вплив різних типів шуму на вихідні сигнали фотодетекторів. Тільки розуміючи джерела шуму, ми можемо краще зменшити та покращити шум фотодетекторів, тим самим оптимізуючи співвідношення сигнал/шум системи.

Дробовий шум – це випадкове коливання, спричинене дискретною природою носіїв заряду. Особливо у фотоелектричному ефекті, коли фотони потрапляють на фоточутливі компоненти, генеруючи електрони, генерація цих електронів є випадковою та відповідає розподілу Пуассона. Спектральні характеристики дробового шуму є плоскими та не залежать від величини частоти, тому його також називають білим шумом. Математичний опис: Середньоквадратичне (RMS) значення дробового шуму можна виразити як:

Серед них:

e: Електронний заряд (приблизно 1,6 × 10⁻¹⁴ кулонів)

Темна течія: Темнова течія

Δf: Пропускна здатність

Дробовий шум пропорційний величині струму та стабільний на всіх частотах. У формулі Idark позначає темновий струм фотодіода. Тобто, за відсутності світла фотодіод має небажаний темновий шум. Оскільки власний шум знаходиться на самому передньому кінці фотодетектора, чим більший темновий струм, тим більший шум фотодетектора. На темновий струм також впливає робоча напруга зміщення фотодіода, тобто чим більша робоча напруга зміщення, тим більший темновий струм. Однак робоча напруга зміщення також впливає на ємність переходу фотодетектора, тим самим впливаючи на швидкість та пропускну здатність фотодетектора. Крім того, чим більша напруга зміщення, тим більша швидкість та пропускна здатність. Тому, з точки зору дробового шуму, темнового струму та пропускної здатності фотодіодів, обґрунтоване проектування слід виконувати відповідно до фактичних вимог проекту.

2. 1/f Мерехтливий шум

1/f-шум, також відомий як мерехтливий шум, виникає переважно в діапазоні низьких частот і пов'язаний з такими факторами, як дефекти матеріалу або чистота поверхні. З його спектральної характеристики видно, що його спектральна щільність потужності значно менша в діапазоні високих частот, ніж у діапазоні низьких частот, і на кожні 100-кратне збільшення частоти спектральна щільність шуму лінійно зменшується в 10 разів. Спектральна щільність потужності 1/f-шуму обернено пропорційна частоті, тобто:

Серед них:

SI(f) : Спектральна щільність потужності шуму

I: Поточний

f: Частота

Шум 1/f є значним у діапазоні низьких частот і послаблюється зі збільшенням частоти. Ця характеристика робить його основним джерелом перешкод у низькочастотних застосуваннях. Шум 1/f та широкосмуговий шум в основному виникають через шум напруги операційного підсилювача всередині фотодетектора. Існує багато інших джерел шуму, які впливають на шум фотодетекторів, такі як шум джерела живлення операційних підсилювачів, струмовий шум та тепловий шум мережі опору в коефіцієнті посилення схем операційних підсилювачів.

3. Шум напруги та струму операційного підсилювача: Спектральні щільності напруги та струму показано на наступному рисунку:

У схемах операційних підсилювачів струмовий шум поділяється на синфазний струмовий шум та інвертуючий струмовий шум. Синфазний струмовий шум i+ протікає через внутрішній опір джерела Rs, генеруючи еквівалентний шум напруги u1= i+*Rs. Інвертуючий струмовий шум I- протікає через еквівалентний резистор коефіцієнта посилення R, генеруючи еквівалентний шум напруги u2= I-* R. Отже, коли RS джерела живлення великий, шум напруги, перетворений з шуму струму, також дуже великий. Тому, для оптимізації кращого шуму, шум джерела живлення (включаючи внутрішній опір) також є ключовим напрямком оптимізації. Спектральна щільність струмового шуму також не змінюється зі зміною частоти. Тому після посилення схемою він, подібно до темнового струму фотодіода, комплексно формує дробовий шум фотодетектора.

4. Тепловий шум мережі опору для коефіцієнта підсилення (коефіцієнта підсилення) схеми операційного підсилювача можна розрахувати за такою формулою:

Серед них:

k: стала Больцмана (1,38 × 10⁻²⁻³Дж/К)

T: Абсолютна температура (K)

R: Опір (Ом) тепловий шум пов'язаний з температурою та значенням опору, а його спектр є плоским. З формули видно, що чим більше значення опору посилення, тим більший тепловий шум. Чим більша смуга пропускання, тим більшим буде також тепловий шум. Тому, щоб гарантувати, що значення опору та значення смуги пропускання відповідають як вимогам до посилення, так і вимогам до смуги пропускання, і зрештою також вимагають низького рівня шуму або високого співвідношення сигнал/шум, вибір резисторів посилення необхідно ретельно розглянути та оцінити на основі фактичних вимог проекту для досягнення ідеального співвідношення сигнал/шум системи.

Короткий зміст

Технологія покращення шуму відіграє значну роль у підвищенні продуктивності фотодетекторів та електронних пристроїв. Висока точність означає низький рівень шуму. Оскільки технології вимагають вищої точності, вимоги до шуму, співвідношення сигнал/шум та еквівалентної потужності шуму фотодетекторів також стають все вищими.