Kako zmanjšati hrup fotodetektorjev

Kako zmanjšati hrup fotodetektorjev

Šum fotodetektorjev vključuje predvsem: tokovni šum, toplotni šum, strelski šum, 1/f šum in širokopasovni šum itd. Ta klasifikacija je le relativno groba. Tokrat bomo predstavili podrobnejše značilnosti in klasifikacije šuma, da bi vsem pomagali bolje razumeti vpliv različnih vrst šuma na izhodne signale fotodetektorjev. Le z razumevanjem virov šuma lahko bolje zmanjšamo in izboljšamo šum fotodetektorjev ter s tem optimiziramo razmerje signal/šum sistema.

Šum strela je naključno nihanje, ki ga povzroča diskretna narava nosilcev naboja. Še posebej pri fotoelektričnem učinku, ko fotoni zadenejo fotoobčutljive komponente in ustvarijo elektrone, je nastajanje teh elektronov naključno in se ujema s Poissonovo porazdelitvijo. Spektralne značilnosti šuma strela so ravne in neodvisne od frekvenčne magnitude, zato se imenuje tudi beli šum. Matematični opis: Srednjo kvadratno vrednost (RMS) šuma strela lahko izrazimo kot:

Med njimi:

e: Elektronski naboj (približno 1,6 × 10⁻¹⁴ kulonov)

Idark: Temni tok

Δf: Pasovna širina

Šum strela je sorazmeren z velikostjo toka in je stabilen pri vseh frekvencah. V formuli Idark predstavlja temni tok fotodiode. To pomeni, da ima fotodioda v odsotnosti svetlobe neželen šum temnega toka. Ker gre za inherentni šum na samem sprednjem koncu fotodetektorja, večji kot je temni tok, večji je šum fotodetektorja. Na temni tok vpliva tudi delovna napetost prednapetosti fotodiode, torej večja kot je delovna napetost prednapetosti, večji je temni tok. Vendar pa delovna napetost prednapetosti vpliva tudi na kapacitivnost spoja fotodetektorja, s čimer vpliva na hitrost in pasovno širino fotodetektorja. Poleg tega, večja kot je napetost prednapetosti, večja je hitrost in pasovna širina. Zato je treba glede šuma strela, temnega toka in pasovne širine fotodiod izvesti razumno zasnovo v skladu z dejanskimi zahtevami projekta.

2. 1/f utripajoči šum

1/f šum, znan tudi kot utripajoči šum, se pojavlja predvsem v nizkofrekvenčnem območju in je povezan z dejavniki, kot so napake v materialu ali čistoča površine. Iz diagrama spektralnih značilnosti je razvidno, da je njegova spektralna gostota moči v visokofrekvenčnem območju bistveno manjša kot v nizkofrekvenčnem območju, in za vsako 100-kratno povečanje frekvence se spektralna gostota šuma linearno zmanjša za 10-krat. Spektralna gostota moči 1/f šuma je obratno sorazmerna s frekvenco, to je:

Med njimi:

SI(f): Spektralna gostota moči šuma

Jaz: Tok

f: Frekvenca

Šum 1/f je pomemben v nizkofrekvenčnem območju in slabi z naraščanjem frekvence. Zaradi te značilnosti je glavni vir motenj v nizkofrekvenčnih aplikacijah. Šum 1/f in širokopasovni šum izvira predvsem iz napetostnega šuma operacijskega ojačevalnika znotraj fotodetektorja. Obstaja veliko drugih virov šuma, ki vplivajo na šum fotodetektorjev, kot so šum napajanja operacijskih ojačevalnikov, tokovni šum in toplotni šum uporovnega omrežja v ojačanju vezij operacijskih ojačevalnikov.

3. Napetostni in tokovni šum operacijskega ojačevalnika: Spektralne gostote napetosti in toka so prikazane na naslednji sliki:

V operacijskih ojačevalnih vezjih se tokovni šum deli na fazni tokovni šum in invertirajoči tokovni šum. Fazni tokovni šum i+ teče skozi notranji upor vira Rs in ustvarja ekvivalentni napetostni šum u1 = i+*Rs. Invertirajoči tokovni šum I- teče skozi ekvivalentni upor ojačanja R in ustvarja ekvivalentni napetostni šum u2 = I-*R. Ko je RS napajalnika velik, je napetostni šum, pretvorjen iz tokovnega šuma, prav tako zelo velik. Zato je za optimizacijo boljšega šuma ključna smer optimizacije tudi šum napajalnika (vključno z notranjim uporom). Spektralna gostota tokovnega šuma se ne spreminja niti s frekvenčnimi spremembami. Zato po ojačitvi z vezjem, tako kot temni tok fotodiode, celovito tvori strelni šum fotodetektorja.

4. Toplotni šum uporovnega omrežja za ojačanje (faktor ojačanja) operacijskega ojačevalnega vezja lahko izračunamo po naslednji formuli:

Med njimi:

k: Boltzmannova konstanta (1,38 × 10⁻²⁻² J/K)

T: Absolutna temperatura (K)

R: Upornost (ohmi) termični šum je povezan s temperaturo in vrednostjo upora, njegov spekter pa je raven. Iz formule je razvidno, da večja kot je vrednost upora ojačanja, večji je termični šum. Večja kot je pasovna širina, večji bo tudi termični šum. Zato je treba za zagotovitev, da vrednost upora in vrednost pasovne širine izpolnjujeta tako zahteve glede ojačanja kot zahteve glede pasovne širine ter na koncu zahtevata tudi nizko šumno razmerje ali visoko razmerje signal/šum, skrbno pretehtati in oceniti izbiro uporov ojačanja glede na dejanske zahteve projekta, da se doseže idealno razmerje signal/šum sistema.

Povzetek

Tehnologija za izboljšanje šuma igra pomembno vlogo pri izboljšanju delovanja fotodetektorjev in elektronskih naprav. Visoka natančnost pomeni nizek šum. Ker tehnologija zahteva večjo natančnost, so zahteve glede šuma, razmerja signal/šum in enakovredne moči šuma fotodetektorjev vse višje.