Paano mabawasan ang ingay ng mga photodetector

Paano mabawasan ang ingay ng mga photodetector

Ang ingay ng mga photodetector ay pangunahing kinabibilangan ng: current noise, thermal noise, shot noise, 1/f noise at wideband noise, atbp. Ang klasipikasyong ito ay medyo magaspang lamang. Sa pagkakataong ito, ipakikilala 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 natin mas mababawasan at mapapabuti ang ingay ng mga photodetector, sa gayon ay ma-optimize ang signal-to-noise ratio ng sistema.

Ang shot noise ay isang random na pagbabago-bago na dulot ng hiwalay na katangian ng mga charge carrier. Lalo na sa photoelectric effect, kapag ang mga photon ay tumatama sa mga photosensitive component upang makabuo ng mga electron, ang pagbuo ng mga electron na ito ay random at sumusunod sa Poisson distribution. Ang mga spectral characteristic ng shot noise ay patag at hindi nakadepende sa magnitude ng frequency, kaya tinatawag din itong white noise. Paglalarawan sa matematika: Ang root mean square (RMS) value ng shot noise ay maaaring ipahayag bilang:

Kabilang sa mga ito:

e: Elektronikong karga (humigit-kumulang 1.6 × 10-19 coulomb)

Idark: Madilim na agos

Δf: Bandwidth

Ang shot noise ay proporsyonal sa magnitude ng current at matatag sa lahat ng frequency. Sa pormula, ang Idark ay kumakatawan sa dark current ng photodiode. Ibig sabihin, sa kawalan ng liwanag, ang photodiode ay may hindi kanais-nais na dark current noise. Dahil ang likas na ingay sa pinakaharap na dulo ng photodetector, mas malaki ang dark current, mas malaki ang ingay ng photodetector. Ang dark current ay apektado rin ng bias operating voltage ng photodiode, ibig sabihin, mas malaki ang bias operating voltage, mas malaki ang dark current. Gayunpaman, ang bias working voltage ay nakakaapekto rin sa junction capacitance ng photodetector, kaya nakakaimpluwensya sa bilis at bandwidth ng photodetector. Bukod dito, mas malaki ang bias voltage, mas malaki ang bilis at bandwidth. Samakatuwid, sa mga tuntunin ng shot noise, dark current at bandwidth performance ng mga photodiode, dapat isagawa ang makatwirang disenyo ayon sa mga aktwal na kinakailangan ng proyekto.

2. 1/f Ingay ng Pagkurap

Ang 1/f noise, na kilala rin bilang flicker noise, ay pangunahing nangyayari sa low-frequency range at may kaugnayan sa mga salik tulad ng mga depekto sa materyal o kalinisan ng ibabaw. Mula sa spectral characteristic diagram nito, makikita na ang power spectral density nito ay mas maliit nang malaki sa high-frequency range kaysa sa low-frequency range, at sa bawat 100 beses na pagtaas sa frequency, ang spectral density noise ay linear na bumababa nang 10 beses. Ang power spectral density ng 1/f noise ay inversely proportional sa frequency, ibig sabihin:

Kabilang sa mga ito:

SI(f) : Densidad ng spectral ng lakas ng ingay

Ako: Kasalukuyan

f: Dalas

Ang 1/f na ingay ay makabuluhan sa low-frequency range at humihina habang tumataas ang frequency. Ang katangiang ito ang dahilan kung bakit ito pangunahing pinagmumulan ng interference sa mga low-frequency application. Ang 1/f na ingay at wideband na ingay ay pangunahing nagmumula sa voltage noise ng operational amplifier sa loob ng photodetector. Maraming iba pang pinagmumulan ng ingay na nakakaapekto sa ingay ng mga photodetector, tulad ng power supply noise ng mga operational amplifier, current noise, at ang thermal noise ng resistance network sa gain ng mga operational amplifier circuit.

3. Ingay ng boltahe at kasalukuyang ng operational amplifier: Ang mga spectral densidad ng boltahe at kasalukuyang ay ipinapakita sa sumusunod na pigura:

Sa mga operational amplifier circuit, ang ingay ng kasalukuyang ay nahahati sa in-phase current noise at inverting current noise. Ang in-phase current noise na i+ ay dumadaloy sa pinagmulang internal resistance na Rs, na bumubuo ng katumbas na voltage noise na u1= i+*Rs. Ang inverting current noise na I- ay dumadaloy sa gain equivalent resistor na R upang makabuo ng katumbas na voltage noise na u2= I-* R. Kaya kapag malaki ang RS ng power supply, ang voltage noise na na-convert mula sa current noise ay napakalaki rin. Samakatuwid, upang ma-optimize para sa mas mahusay na ingay, ang ingay ng power supply (kabilang ang internal resistance) ay isa ring mahalagang direksyon para sa pag-optimize. Ang spectral density ng current noise ay hindi rin nagbabago sa mga pagkakaiba-iba ng frequency. Samakatuwid, pagkatapos ma-amplify ng circuit, ito, tulad ng dark current 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 pormula:

Kabilang sa mga ito:

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

T: Ganap na Temperatura (K)

R: Ang thermal noise ng resistance (ohms) ay may kaugnayan sa temperatura at halaga ng resistance, at ang spectrum nito ay patag. Makikita mula sa pormula na mas malaki ang halaga ng gain resistance, mas malaki ang thermal noise. Kung mas malaki ang bandwidth, mas malaki rin ang thermal noise. Samakatuwid, upang matiyak na ang halaga ng resistance at bandwidth ay nakakatugon sa parehong mga kinakailangan sa gain at bandwidth, at sa huli ay nangangailangan din ng mababang noise o mataas na signal-to-noise ratio, ang pagpili ng mga gain resistor ay kailangang maingat na isaalang-alang at suriin batay sa aktwal na mga kinakailangan ng proyekto upang makamit ang perpektong signal-to-noise ratio ng sistema.

Buod

Ang teknolohiyang nagpapabuti ng ingay ay may 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, signal-to-noise ratio, at katumbas na lakas ng ingay ng mga photodetector ay tumataas din nang tumataas.