Sådan reducerer du støjen fra fotodetektorer

Sådan reducerer du støjen fra fotodetektorer

Støjen fra fotodetektorer omfatter primært: strømstøj, termisk støj, skudstøj, 1/f-støj og bredbåndsstøj osv. Denne klassificering er kun relativt grov. Denne gang vil vi introducere mere detaljerede støjkarakteristika og klassificeringer for bedre at forstå virkningen af ​​forskellige typer støj på fotodetektorernes udgangssignaler. Kun ved at forstå støjkilderne kan vi bedre reducere og forbedre støjen fra fotodetektorer og derved optimere systemets signal-støj-forhold.

Skudstøj er en tilfældig udsving forårsaget af ladningsbærernes diskrete natur. Især i den fotoelektriske effekt, når fotoner rammer lysfølsomme komponenter for at generere elektroner, er genereringen af ​​disse elektroner tilfældig og overholder Poisson-fordelingen. De spektrale egenskaber ved skudstøj er flade og uafhængige af frekvensstørrelsen, og derfor kaldes det også hvid støj. Matematisk beskrivelse: RMS-værdien (rodmiddelkvadrat) af skudstøj kan udtrykkes som:

Blandt dem:

e: Elektronisk ladning (ca. 1,6 × 10⁻¹ coulomb)

Idark: Mørk strøm

Δf: Båndbredde

Skudstøj er proportional med strømmens størrelse og er stabil ved alle frekvenser. I formlen repræsenterer Idark fotodiodens mørkestrøm. Det vil sige, at fotodioden i fravær af lys har uønsket mørkstrømsstøj. Ligesom den iboende støj i den forreste ende af fotodetektoren, jo større mørkstrøm er, desto større er støjen fra fotodetektoren. Mørkestrømmen påvirkes også af fotodiodens bias-driftsspænding, dvs. jo større bias-driftsspændingen er, desto større er mørkstrømmen. Bias-arbejdsspændingen påvirker dog også fotodetektorens forbindelseskapacitans og påvirker dermed fotodetektorens hastighed og båndbredde. Desuden gælder det, at jo større biasspændingen er, desto større er hastigheden og båndbredden. Derfor bør der med hensyn til fotodioders skudstøj, mørkestrøm og båndbreddeydelse udføres et rimeligt design i henhold til de faktiske projektkrav.

2. 1/f flimmer støj

1/f-støj, også kendt som flimmer-støj, forekommer hovedsageligt i lavfrekvensområdet og er relateret til faktorer som materialefejl eller overfladerenhed. Ud fra dens spektrale karakteristikdiagram kan det ses, at dens effektspektraltæthed er betydeligt mindre i højfrekvensområdet end i lavfrekvensområdet, og for hver 100 gange stigning i frekvens falder den spektrale tæthedsstøj lineært med 10 gange. Effektspektraltætheden af ​​1/f-støj er omvendt proportional med frekvensen, dvs.:

Blandt dem:

SI(f): Støjeffektspektraltæthed

I: Nuværende

f: Frekvens

1/f-støj er betydelig i lavfrekvensområdet og svækkes, når frekvensen stiger. Denne egenskab gør den til en væsentlig kilde til interferens i lavfrekvente applikationer. 1/f-støj og bredbåndsstøj kommer hovedsageligt fra spændingsstøjen fra operationsforstærkeren inde i fotodetektoren. Der er mange andre støjkilder, der påvirker støjen fra fotodetektorer, såsom strømforsyningsstøj fra operationsforstærkere, strømstøj og termisk støj fra modstandsnetværket i forstærkningen i operationsforstærkerkredsløb.

3. Spændings- og strømstøj fra operationsforstærkeren: Spændings- og strømspektraltæthederne er vist i følgende figur:

I operationsforstærkerkredsløb opdeles strømstøj i in-fase strømstøj og inverterende strømstøj. In-fase strømstøjen i+ flyder gennem kildens interne modstand Rs og genererer en ækvivalent spændingsstøj u1= i+*Rs. I- Inverterende strømstøj flyder gennem forstærkningsækvivalentmodstanden R for at generere ækvivalent spændingsstøj u2= I-* R. Så når strømforsyningens RS er stor, er spændingsstøjen, der konverteres fra strømstøjen, også meget stor. Derfor er strømforsyningsstøjen (inklusive intern modstand) for at optimere for bedre støj også en nøgleretning for optimering. Den spektrale tæthed af strømstøj ændrer sig heller ikke med frekvensvariationer. Derfor danner den, efter at være blevet forstærket af kredsløbet, ligesom fotodiodens mørke strøm, omfattende fotodetektorens skudstøj.

4. Den termiske støj fra modstandsnetværket for forstærkningen (forstærkningsfaktoren) i operationsforstærkerkredsløbet kan beregnes ved hjælp af følgende formel:

Blandt dem:

k: Boltzmanns konstant (1,38 × 10⁻²⁶ J/K)

T: Absolut temperatur (K)

R: Termisk støj i modstand (ohm) er relateret til temperatur og modstandsværdi, og dens spektrum er fladt. Det kan ses ud fra formlen, at jo større forstærkningsmodstandsværdien er, desto større er den termiske støj. Jo større båndbredden er, desto større vil den termiske støj også være. For at sikre, at modstandsværdien og båndbreddeværdien opfylder både forstærkningskravene og båndbreddekravene, og i sidste ende også kræver lav støj eller højt signal-støj-forhold, skal valget af forstærkningsmodstande derfor overvejes og evalueres nøje baseret på de faktiske projektkrav for at opnå det ideelle signal-støj-forhold for systemet.

Oversigt

Støjforbedringsteknologi spiller en betydelig rolle i at forbedre ydeevnen af ​​fotodetektorer og elektroniske enheder. Høj præcision betyder lav støj. Efterhånden som teknologien kræver højere præcision, bliver kravene til støj, signal-støj-forhold og ækvivalent støjeffekt for fotodetektorer også højere og højere.