Як паменшыць шум фотадэтэктараў

Як паменшыць шум фотадэтэктараў

Шум фотадэтэктараў у асноўным уключае: токавы шум, цеплавы шум, дробавы шум, шум 1/f і шырокапалосны шум і г.д. Гэта толькі адносна прыблізная класіфікацыя. На гэты раз мы прадставім больш падрабязныя характарыстыкі і класіфікацыі шуму, каб дапамагчы ўсім лепш зразумець уплыў розных тыпаў шуму на выходныя сігналы фотадэтэктараў. Толькі разумеючы крыніцы шуму, мы можам лепш знізіць і палепшыць шум фотадэтэктараў, тым самым аптымізуючы суадносіны сігнал/шум сістэмы.

Дробавы шум — гэта выпадковае ваганне, выкліканае дыскрэтнай прыродай носьбітаў зараду. Асабліва пры фотаэлектрычным эфекце, калі фатоны трапляюць на фотаадчувальныя кампаненты, генеруючы электроны, генерацыя гэтых электронаў з'яўляецца выпадковай і адпавядае размеркаванню Пуасона. Спектральныя характарыстыкі дробавага шуму плоскія і не залежаць ад велічыні частаты, таму яго таксама называюць белым шумам. Матэматычнае апісанне: Сярэднеквадратычнае (СКВ) значэнне дробавага шуму можна выразіць як:

Сярод іх:

e: Электронны зарад (прыблізна 1,6 × 10⁻¹⁹ кулонаў)

Ідарк: Цёмны ток

Δf: Прапускная здольнасць

Дробавы шум прапарцыйны велічыні току і стабільны на ўсіх частотах. У формуле Idark прадстаўляе цёмны ток фотадыёда. Гэта значыць, што пры адсутнасці святла фотадыёд мае непажаданы шум цёмнага току. Паколькі ўласцівы шум на самым пярэднім канцы фотадыёда, чым большы цёмны ток, тым большы шум фотадыёда. На цёмны ток таксама ўплывае працоўнае напружанне зрушэння фотадыёда, гэта значыць, чым большае працоўнае напружанне зрушэння, тым большы цёмны ток. Аднак працоўнае напружанне зрушэння таксама ўплывае на ёмістасць пераходу фотадыёда, тым самым уплываючы на ​​хуткасць і прапускную здольнасць фотадыёда. Больш за тое, чым большае напружанне зрушэння, тым большая хуткасць і прапускная здольнасць. Такім чынам, з пункту гледжання дробавага шуму, цёмнага току і прапускной здольнасці фотадыёдаў, разумнае праектаванне павінна выконвацца ў адпаведнасці з рэальнымі патрабаваннямі праекта.

2. 1/f Мігатлівы шум

1/f-шум, таксама вядомы як флікер-шум, у асноўным узнікае ў дыяпазоне нізкіх частот і звязаны з такімі фактарамі, як дэфекты матэрыялу або чысціня паверхні. З яго спектральнай характарыстыкі відаць, што яго спектральная шчыльнасць магутнасці значна меншая ў дыяпазоне высокіх частот, чым у дыяпазоне нізкіх частот, і на кожныя 100-кратнае павелічэнне частаты спектральная шчыльнасць шуму лінейна памяншаецца ў 10 разоў. Спектральная шчыльнасць магутнасці 1/f-шуму адваротна прапарцыйная частаце, гэта значыць:

Сярод іх:

SI(f) : Спектральная шчыльнасць магутнасці шуму

I: Бягучы

f: Частата

Шум 1/f значны ў дыяпазоне нізкіх частот і слабее па меры павелічэння частаты. Гэтая характарыстыка робіць яго асноўнай крыніцай перашкод у нізкачастотных прымяненнях. Шум 1/f і шырокапалосны шум у асноўным узнікаюць з-за шуму напружання аперацыйнага ўзмацняльніка ўнутры фотадэтэктара. Існуе шмат іншых крыніц шуму, якія ўплываюць на шум фотадэтэктараў, такія як шум крыніцы харчавання аперацыйных узмацняльнікаў, шум току і цеплавы шум сеткі супраціўлення ў схемах аперацыйных узмацняльнікаў.

3. Шум напружання і току аперацыйнага ўзмацняльніка: Спектральныя шчыльнасці напружання і току паказаны на наступным малюнку:

У схемах аперацыйных узмацняльнікаў шум току падзяляецца на сінфазны шум току і інвертуючы шум току. Сінгафазны шум току i+ праходзіць праз унутраны супраціў крыніцы Rs, генеруючы эквівалентны шум напружання u1= i+*Rs. Інвертуючы шум току I- праходзіць праз эквівалентны рэзістар ўзмацнення R, генеруючы эквівалентны шум напружання u2= I-*R. Такім чынам, калі RS крыніцы харчавання вялікі, шум напружання, пераўтвораны з шуму току, таксама вельмі вялікі. Такім чынам, для аптымізацыі лепшага шуму шум крыніцы харчавання (у тым ліку ўнутраны супраціў) таксама з'яўляецца ключавым напрамкам аптымізацыі. Спектральная шчыльнасць шуму току таксама не змяняецца са зменамі частаты. Такім чынам, пасля ўзмацнення схемай ён, як і цёмны ток фотадыёда, усёабдымна фарміруе дробавы шум фотапрыёмніка.

4. Цеплавы шум сеткі супраціву для каэфіцыента ўзмацнення (каэфіцыента ўзмацнення) схемы аперацыйнага ўзмацняльніка можна разлічыць па наступнай формуле:

Сярод іх:

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

T: Абсалютная тэмпература (K)

R: Супраціўленне (Ом) цеплавы шум звязаны з тэмпературай і значэннем супраціўлення, і яго спектр з'яўляецца плоскім. З формулы відаць, што чым большае значэнне супраціўлення ўзмацнення, тым большы цеплавы шум. Чым большая паласа прапускання, тым большым будзе і цеплавы шум. Такім чынам, каб гарантаваць, што значэнне супраціўлення і значэнне паласы прапускання адпавядаюць як патрабаванням да ўзмацнення, так і патрабаванням да паласы прапускання, і ў канчатковым выніку таксама патрабуюць нізкага ўзроўню шуму або высокага суадносін сігнал/шум, выбар рэзістараў узмацнення павінен быць старанна прадуманы і ацэнены зыходзячы з рэальных патрабаванняў праекта для дасягнення ідэальнага суадносін сігнал/шум сістэмы.

Кароткі змест

Тэхналогія паляпшэння шуму адыгрывае значную ролю ў павышэнні прадукцыйнасці фотадэтэктараў і электронных прылад. Высокая дакладнасць азначае нізкі ўзровень шуму. Паколькі тэхналогіі патрабуюць большай дакладнасці, патрабаванні да шуму, суадносін сігнал/шум і эквівалентнай магутнасці шуму фотадэтэктараў таксама становяцца ўсё вышэйшымі.