Πώς να μειώσετε τον θόρυβο των φωτοανιχνευτών

Πώς να μειώσετε τον θόρυβο των φωτοανιχνευτών

Ο θόρυβος των φωτοανιχνευτών περιλαμβάνει κυρίως: θόρυβο ρεύματος, θερμικό θόρυβο, θόρυβο βολής, θόρυβο 1/f και θόρυβο ευρείας ζώνης, κ.λπ. Αυτή η ταξινόμηση είναι μόνο σχετικά πρόχειρη. Αυτή τη φορά, θα εισαγάγουμε πιο λεπτομερή χαρακτηριστικά και ταξινομήσεις θορύβου για να βοηθήσουμε όλους να κατανοήσουν καλύτερα την επίδραση διαφόρων τύπων θορύβου στα σήματα εξόδου των φωτοανιχνευτών. Μόνο κατανοώντας τις πηγές θορύβου μπορούμε να μειώσουμε και να βελτιώσουμε καλύτερα τον θόρυβο των φωτοανιχνευτών, βελτιστοποιώντας έτσι την αναλογία σήματος προς θόρυβο του συστήματος.

Ο θόρυβος βολής είναι μια τυχαία διακύμανση που προκαλείται από τη διακριτή φύση των φορέων φορτίου. Ειδικά στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, όταν τα φωτόνια προσκρούουν σε φωτοευαίσθητα στοιχεία για να παράγουν ηλεκτρόνια, η παραγωγή αυτών των ηλεκτρονίων είναι τυχαία και συμμορφώνεται με την κατανομή Poisson. Τα φασματικά χαρακτηριστικά του θορύβου βολής είναι επίπεδα και ανεξάρτητα από το μέγεθος της συχνότητας, και ως εκ τούτου ονομάζεται επίσης λευκός θόρυβος. Μαθηματική περιγραφή: Η τιμή της μέσης τετραγωνικής ρίζας (RMS) του θορύβου βολής μπορεί να εκφραστεί ως:

Μεταξύ αυτών:

e: Ηλεκτρονικό φορτίο (περίπου 1,6 × 10-19 coulomb)

Idark: Σκοτεινό ρεύμα

Δf: Εύρος ζώνης

Ο θόρυβος βολής είναι ανάλογος με το μέγεθος του ρεύματος και είναι σταθερός σε όλες τις συχνότητες. Στον τύπο, το Idark αντιπροσωπεύει το σκοτεινό ρεύμα της φωτοδιόδου. Δηλαδή, απουσία φωτός, η φωτοδίοδος έχει ανεπιθύμητο θόρυβο σκοτεινού ρεύματος. Όπως ο εγγενής θόρυβος στο μπροστινό άκρο του φωτοανιχνευτή, όσο μεγαλύτερο είναι το σκοτεινό ρεύμα, τόσο μεγαλύτερος είναι ο θόρυβος του φωτοανιχνευτή. Το σκοτεινό ρεύμα επηρεάζεται επίσης από την τάση λειτουργίας πόλωσης της φωτοδιόδου, δηλαδή, όσο μεγαλύτερη είναι η τάση λειτουργίας πόλωσης, τόσο μεγαλύτερο είναι το σκοτεινό ρεύμα. Ωστόσο, η τάση λειτουργίας πόλωσης επηρεάζει επίσης την χωρητικότητα σύνδεσης του φωτοανιχνευτή, επηρεάζοντας έτσι την ταχύτητα και το εύρος ζώνης του φωτοανιχνευτή. Επιπλέον, όσο μεγαλύτερη είναι η τάση πόλωσης, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα και το εύρος ζώνης. Επομένως, όσον αφορά τον θόρυβο βολής, το σκοτεινό ρεύμα και την απόδοση εύρους ζώνης των φωτοδιόδων, θα πρέπει να πραγματοποιείται λογικός σχεδιασμός σύμφωνα με τις πραγματικές απαιτήσεις του έργου.

2. Θόρυβος τρεμοπαίγματος 1/f

Ο θόρυβος 1/f, γνωστός και ως θόρυβος τρεμοπαίγματος, εμφανίζεται κυρίως στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων και σχετίζεται με παράγοντες όπως ελαττώματα υλικών ή καθαριότητα επιφάνειας. Από το φασματικό χαρακτηριστικό του διάγραμμα, μπορεί να φανεί ότι η φασματική πυκνότητα ισχύος του είναι σημαντικά μικρότερη στην περιοχή υψηλών συχνοτήτων από ό,τι στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων, και για κάθε 100 φορές αύξηση της συχνότητας, ο θόρυβος φασματικής πυκνότητας μειώνεται γραμμικά κατά 10 φορές. Η φασματική πυκνότητα ισχύος του θορύβου 1/f είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη συχνότητα, δηλαδή:

Μεταξύ αυτών:

SI(f): Φασματική πυκνότητα ισχύος θορύβου

Εγώ: Τρέχον

f: Συχνότητα

Ο θόρυβος 1/f είναι σημαντικός στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων και εξασθενεί καθώς αυξάνεται η συχνότητα. Αυτό το χαρακτηριστικό τον καθιστά σημαντική πηγή παρεμβολών σε εφαρμογές χαμηλών συχνοτήτων. Ο θόρυβος 1/f και ο θόρυβος ευρείας ζώνης προέρχονται κυρίως από τον θόρυβο τάσης του λειτουργικού ενισχυτή μέσα στον φωτοανιχνευτή. Υπάρχουν πολλές άλλες πηγές θορύβου που επηρεάζουν τον θόρυβο των φωτοανιχνευτών, όπως ο θόρυβος τροφοδοσίας των λειτουργικών ενισχυτών, ο θόρυβος ρεύματος και ο θερμικός θόρυβος του δικτύου αντίστασης στο κέρδος των κυκλωμάτων λειτουργικού ενισχυτή.

3. Θόρυβος τάσης και ρεύματος του λειτουργικού ενισχυτή: Οι φασματικές πυκνότητες τάσης και ρεύματος φαίνονται στο ακόλουθο σχήμα:

Στα κυκλώματα λειτουργικών ενισχυτών, ο θόρυβος ρεύματος διαιρείται σε θόρυβο ρεύματος σε φάση και θόρυβο αναστροφής ρεύματος. Ο θόρυβος ρεύματος σε φάση i+ ρέει μέσω της εσωτερικής αντίστασης πηγής Rs, δημιουργώντας έναν ισοδύναμο θόρυβο τάσης u1= i+*Rs. I- Ο θόρυβος ρεύματος αναστροφής ρέει μέσω της αντίστασης ισοδύναμου κέρδους R για να δημιουργήσει ισοδύναμο θόρυβο τάσης u2= I-*R. Έτσι, όταν το RS του τροφοδοτικού είναι μεγάλο, ο θόρυβος τάσης που μετατρέπεται από τον θόρυβο ρεύματος είναι επίσης πολύ μεγάλος. Επομένως, για τη βελτιστοποίηση για καλύτερο θόρυβο, ο θόρυβος του τροφοδοτικού (συμπεριλαμβανομένης της εσωτερικής αντίστασης) είναι επίσης μια βασική κατεύθυνση για βελτιστοποίηση. Η φασματική πυκνότητα του θορύβου ρεύματος δεν αλλάζει με τις διακυμάνσεις της συχνότητας. Επομένως, αφού ενισχυθεί από το κύκλωμα, αυτός, όπως και το σκοτεινό ρεύμα της φωτοδιόδου, σχηματίζει συνολικά τον θόρυβο βολής του φωτοανιχνευτή.

4. Ο θερμικός θόρυβος του δικτύου αντίστασης για το κέρδος (συντελεστής ενίσχυσης) του κυκλώματος λειτουργικού ενισχυτή μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

Μεταξύ αυτών:

k: Σταθερά Μπόλτσμαν (1,38 × 10-23J/K)

T: Απόλυτη Θερμοκρασία (K)

R: Ο θερμικός θόρυβος αντίστασης (ohms) σχετίζεται με τη θερμοκρασία και την τιμή αντίστασης και το φάσμα του είναι επίπεδο. Από τον τύπο φαίνεται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή αντίστασης κέρδους, τόσο μεγαλύτερος είναι ο θερμικός θόρυβος. Όσο μεγαλύτερο είναι το εύρος ζώνης, τόσο μεγαλύτερος θα είναι και ο θερμικός θόρυβος. Επομένως, για να διασφαλιστεί ότι η τιμή αντίστασης και η τιμή εύρους ζώνης πληρούν τόσο τις απαιτήσεις κέρδους όσο και τις απαιτήσεις εύρους ζώνης και, τελικά, απαιτούν χαμηλό θόρυβο ή υψηλό λόγο σήματος προς θόρυβο, η επιλογή των αντιστάσεων κέρδους πρέπει να εξεταστεί προσεκτικά και να αξιολογηθεί με βάση τις πραγματικές απαιτήσεις του έργου, ώστε να επιτευχθεί ο ιδανικός λόγος σήματος προς θόρυβο του συστήματος.

Περίληψη

Η τεχνολογία βελτίωσης θορύβου παίζει σημαντικό ρόλο στη βελτίωση της απόδοσης των φωτοανιχνευτών και των ηλεκτρονικών συσκευών. Υψηλή ακρίβεια σημαίνει χαμηλός θόρυβος. Καθώς η τεχνολογία απαιτεί υψηλότερη ακρίβεια, οι απαιτήσεις για θόρυβο, λόγο σήματος προς θόρυβο και ισοδύναμη ισχύ θορύβου των φωτοανιχνευτών αυξάνονται επίσης ολοένα και περισσότερο.