Paano bawasan ang ingay ng mga photodetector

Paano bawasan ang ingay ng mga photodetector

Ang ingay ng mga photodetector ay pangunahing kinabibilangan ng: kasalukuyang ingay, thermal noise, shot noise, 1/f noise at wideband noise, atbp. Ang klasipikasyong ito ay medyo magaspang lamang. Sa pagkakataong ito, ipapakilala namin ang mas detalyadong mga katangian at klasipikasyon ng ingay upang matulungan ang lahat na mas maunawaan ang epekto ng iba't ibang uri ng ingay sa mga output signal ng mga photodetector. Sa pamamagitan lamang ng pag-unawa sa mga pinagmumulan ng ingay mas mahusay nating bawasan at pahusayin ang ingay ng mga photodetector, sa gayon ay ma-optimize ang signal-to-noise ratio ng system.

Ang ingay ng shot ay isang random na pagbabagu-bago na dulot ng discrete nature ng mga charge carrier. Lalo na sa photoelectric effect, kapag ang mga photon ay tumama sa mga photosensitive na bahagi upang makabuo ng mga electron, ang henerasyon ng mga electron na ito ay random at umaayon sa pamamahagi ng Poisson. Ang mga spectral na katangian ng shot noise ay flat at independiyente sa frequency magnitude, at sa gayon ito ay tinatawag ding white noise. Deskripsyon sa matematika: Ang root mean square (RMS) na halaga ng shot noise ay maaaring ipahayag bilang:

Kabilang sa mga ito:

e: Electronic charge (humigit-kumulang 1.6 × 10-19 coulomb)

Idark: Madilim na agos

Δf: Bandwidth

Ang ingay ng shot ay proporsyonal sa magnitude ng kasalukuyang at stable sa lahat ng frequency. Sa formula, kinakatawan ng Idark ang madilim na agos ng photodiode. Iyon ay, sa kawalan ng liwanag, ang photodiode ay may hindi gustong madilim na kasalukuyang ingay. Bilang likas na ingay sa pinakaharap na dulo ng photodetector, mas malaki ang madilim na agos, mas malaki ang ingay ng photodetector. Ang madilim na kasalukuyang ay apektado din ng bias operating boltahe ng photodiode, iyon ay, mas malaki ang bias operating boltahe, mas malaki ang madilim na kasalukuyang. Gayunpaman, ang bias na gumaganang boltahe ay nakakaapekto rin sa junction capacitance ng photodetector, sa gayon ay nakakaimpluwensya sa bilis at bandwidth ng photodetector. Bukod dito, mas malaki ang bias boltahe, mas malaki ang bilis at bandwidth. Samakatuwid, sa mga tuntunin ng ingay ng pagbaril, madilim na kasalukuyang at pagganap ng bandwidth ng mga photodiode, ang makatwirang disenyo ay dapat isagawa ayon sa aktwal na mga kinakailangan ng proyekto.

2. 1/f Flicker Ingay

Ang 1/f noise, na kilala rin bilang flicker noise, ay pangunahing nangyayari sa low-frequency range at nauugnay sa mga salik gaya ng mga materyal na depekto o kalinisan sa ibabaw. Mula sa spectral characteristic diagram nito, makikita na ang power spectral density nito ay makabuluhang mas maliit sa high-frequency range kaysa sa low-frequency range, at sa bawat 100 beses na pagtaas ng frequency, ang spectral density ng ingay ay linearly na bumababa ng 10 beses. Ang power spectral density ng 1/f noise ay inversely proportional sa frequency, iyon ay:

Kabilang sa mga ito:

SI(f): Noise power spectral density

Ako: Kasalukuyan

f: Dalas

Ang 1/f ingay ay makabuluhan sa hanay ng mababang frequency at humihina habang tumataas ang dalas. Ang katangiang ito ay ginagawa itong pangunahing pinagmumulan ng interference sa mga low-frequency na application. Ang ingay ng 1/f at ingay ng wideband ay pangunahing nagmumula sa ingay ng boltahe ng operational amplifier sa loob ng photodetector. Maraming iba pang pinagmumulan ng ingay na nakakaapekto sa ingay ng mga photodetector, tulad ng ingay ng power supply ng mga operational amplifier, kasalukuyang ingay, at ang thermal noise ng resistance network sa pagkakaroon ng operational amplifier circuits.

3. Boltahe at kasalukuyang ingay ng operational amplifier: Ang boltahe at kasalukuyang spectral density ay ipinapakita sa sumusunod na figure:

Sa mga operational amplifier circuit, ang kasalukuyang ingay ay nahahati sa in-phase na kasalukuyang ingay at inverting kasalukuyang ingay. Ang in-phase na kasalukuyang ingay na i+ ay dumadaloy sa pinagmulang panloob na pagtutol na Rs, na bumubuo ng katumbas na boltahe na ingay u1= i+*Rs. I- Inverting current noise flows through the gain equivalent resistor R to generate equivalent voltage noise u2= I-* R. Kaya kapag ang RS ng power supply ay malaki, ang boltahe na ingay na na-convert mula sa kasalukuyang ingay ay napakalaki din. Samakatuwid, upang mag-optimize para sa mas mahusay na ingay, ang ingay ng power supply (kabilang ang panloob na pagtutol) ay isa ring pangunahing direksyon para sa pag-optimize. Ang spectral density ng kasalukuyang ingay ay hindi rin nagbabago sa mga pagkakaiba-iba ng dalas. Samakatuwid, pagkatapos na palakasin ng circuit, ito, tulad ng madilim na kasalukuyang ng photodiode, ay komprehensibong bumubuo ng shot noise ng photodetector.

4. Ang thermal noise ng resistance network para sa gain (amplification factor) ng operational amplifier circuit ay maaaring kalkulahin gamit ang sumusunod na formula:

Kabilang sa mga ito:

k: Boltzmann constant (1.38 × 10-23J/K)

T: Ganap na Temperatura (K)

R: Ang paglaban (ohms) na thermal noise ay nauugnay sa temperatura at halaga ng paglaban, at ang spectrum nito ay flat. Makikita mula sa formula na mas malaki ang halaga ng paglaban sa nakuha, mas malaki ang thermal noise. Kung mas malaki ang bandwidth, mas malaki rin ang thermal noise. Samakatuwid, upang matiyak na ang halaga ng paglaban at halaga ng bandwidth ay nakakatugon sa parehong mga kinakailangan sa pakinabang at mga kinakailangan sa bandwidth, at sa huli ay humihiling din ng mababang ingay o mataas na ratio ng signal-to-noise, ang pagpili ng mga resistor ng gain ay kailangang maingat na isaalang-alang at suriin batay sa aktwal na mga kinakailangan ng proyekto upang makamit ang perpektong ratio ng signal-to-ingay ng system.

Buod

Ang teknolohiya ng pagpapabuti ng ingay ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa pagpapahusay ng pagganap ng mga photodetector at mga elektronikong aparato. Ang mataas na katumpakan ay nangangahulugan ng mababang ingay. Habang hinihingi ng teknolohiya ang mas mataas na katumpakan, ang mga kinakailangan para sa ingay, ratio ng signal-to-noise, at katumbas na lakas ng ingay ng mga photodetector ay tumataas din.