Hvordan redusere støyen fra fotodetektorer

Hvordan redusere støyen fra fotodetektorer

Støyen fra fotodetektorer omfatter hovedsakelig: strømstøy, termisk støy, skuddstøy, 1/f-støy og bredbåndsstøy, osv. Denne klassifiseringen er bare relativt grov. Denne gangen vil vi introdusere mer detaljerte støykarakteristikker og klassifiseringer for å hjelpe alle med å bedre forstå virkningen av ulike typer støy på utgangssignalene til fotodetektorer. Bare ved å forstå støykildene kan vi bedre redusere og forbedre støyen fra fotodetektorer, og dermed optimalisere signal-til-støy-forholdet til systemet.

Skuddstøy er en tilfeldig svingning forårsaket av den diskrete naturen til ladningsbærere. Spesielt i den fotoelektriske effekten, når fotoner treffer lysfølsomme komponenter for å generere elektroner, er genereringen av disse elektronene tilfeldig og samsvarer med Poisson-fordelingen. De spektrale egenskapene til skuddstøy er flate og uavhengige av frekvensstørrelsen, og derfor kalles den også hvit støy. Matematisk beskrivelse: Rotmiddelkvadratverdien (RMS) av skuddstøy kan uttrykkes som:

Blant dem:

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

Idark: Mørk strøm

Δf: Båndbredde

Skuddstøy er proporsjonal med strømmens størrelse og er stabil ved alle frekvenser. I formelen representerer Idark fotodiodens mørkestrøm. Det vil si at fotodioden har uønsket mørkstrømsstøy i fravær av lys. Som den iboende støyen helt i den fremre enden av fotodetektoren, jo større mørkstrøm, desto større er støyen fra fotodetektoren. Mørkestrømmen påvirkes også av fotodiodens bias-driftsspenning, det vil si at jo større bias-driftsspenning, desto større er mørkstrømmen. Imidlertid påvirker bias-arbeidsspenningen også fotodetektorens krysskapasitans, og påvirker dermed fotodetektorens hastighet og båndbredde. Dessuten, jo større biasspenning, desto større er hastigheten og båndbredden. Derfor, når det gjelder fotodiodens skuddstøy, mørkestrøm og båndbreddeytelse, bør det utføres en rimelig design i henhold til de faktiske prosjektkravene.

2. 1/f flimmerstøy

1/f-støy, også kjent som flimmer-støy, forekommer hovedsakelig i lavfrekvensområdet og er relatert til faktorer som materialfeil eller overflatens renhet. Fra det spektrale karakteristikkdiagrammet kan man se at effektspektraltettheten er betydelig mindre i høyfrekvensområdet enn i lavfrekvensområdet, og for hver 100 ganger økningen i frekvens, reduseres spektraltetthetsstøyen lineært med 10 ganger. Effektspektraltettheten til 1/f-støy er omvendt proporsjonal med frekvensen, det vil si:

Blant dem:

SI(f): Støyeffektspektraltetthet

I: Nåværende

f: Frekvens

1/f-støy er betydelig i lavfrekvensområdet og svekkes når frekvensen øker. Denne egenskapen gjør den til en viktig kilde til interferens i lavfrekvente applikasjoner. 1/f-støy og bredbåndsstøy kommer hovedsakelig fra spenningsstøyen til operasjonsforsterkeren inne i fotodetektoren. Det finnes mange andre støykilder som påvirker støyen til fotodetektorer, for eksempel strømforsyningsstøyen til operasjonsforsterkere, strømstøy og termisk støy fra motstandsnettverket i forsterkningen til operasjonsforsterkerkretser.

3. Spennings- og strømstøy fra operasjonsforsterkeren: Spennings- og strømspektraltetthetene er vist i følgende figur:

I operasjonsforsterkerkretser deles strømstøy inn i strømstøy i fase og inverterende strømstøy. Strømstøyen i fase i+ flyter gjennom kildens interne motstand Rs, og genererer en ekvivalent spenningsstøy u1 = i+*Rs. I- Inverterende strømstøy flyter gjennom forsterkningsekvivalentmotstanden R for å generere ekvivalent spenningsstøy u2 = I-* R. Så når RS til strømforsyningen er stor, er spenningsstøyen som konverteres fra strømstøyen også veldig stor. Derfor, for å optimalisere for bedre støy, er strømforsyningsstøyen (inkludert intern motstand) også en nøkkelretning for optimalisering. Spektraltettheten til strømstøyen endres heller ikke med frekvensvariasjoner. Derfor, etter å ha blitt forsterket av kretsen, danner den, i likhet med mørkestrømmen til fotodioden, omfattende skuddstøyen til fotodetektoren.

4. Termisk støy i motstandsnettverket for forsterkningen (forsterkningsfaktoren) til operasjonsforsterkerkretsen kan beregnes ved hjelp av følgende formel:

Blant dem:

k: Boltzmanns konstant (1,38 × 10⁻²⁴ J/K)

T: Absolutt temperatur (K)

R: Termisk støy i motstand (ohm) er relatert til temperatur og motstandsverdi, og spekteret er flatt. Det kan sees fra formelen at jo større forsterkningsmotstandsverdien er, desto større er den termiske støyen. Jo større båndbredde, desto større vil også den termiske støyen være. For å sikre at motstandsverdien og båndbreddeverdien oppfyller både forsterkningskravene og båndbreddekravene, og til slutt også krever lav støy eller høyt signal-til-støy-forhold, må valget av forsterkningsmotstander nøye vurderes og evalueres basert på de faktiske prosjektkravene for å oppnå det ideelle signal-til-støy-forholdet for systemet.

Sammendrag

Støyforbedringsteknologi spiller en betydelig rolle i å forbedre ytelsen til fotodetektorer og elektroniske enheter. Høy presisjon betyr lav støy. Etter hvert som teknologien krever høyere presisjon, blir også kravene til støy, signal-til-støy-forhold og tilsvarende støyeffekt for fotodetektorer høyere og høyere.