Как да се намали шумът от фотодетекторите
Шумът на фотодетекторите включва главно: токов шум, термичен шум, дробов шум, 1/f шум и широколентов шум и др. Тази класификация е само сравнително груба. Този път ще представим по-подробни характеристики и класификации на шума, за да помогнем на всеки да разбере по-добре влиянието на различните видове шум върху изходните сигнали на фотодетекторите. Само чрез разбиране на източниците на шум можем по-добре да намалим и подобрим шума на фотодетекторите, като по този начин оптимизираме съотношението сигнал/шум на системата.
Дробовият шум е случайна флуктуация, причинена от дискретния характер на носителите на заряд. Особено при фотоелектричния ефект, когато фотоните удрят фоточувствителни компоненти, за да генерират електрони, генерирането на тези електрони е случайно и съответства на разпределението на Поасон. Спектралните характеристики на дробовия шум са плоски и независими от честотата и затова се нарича още бял шум. Математическо описание: Средноквадратичната (RMS) стойност на дробовия шум може да се изрази като:
Сред тях:
e: Електронен заряд (приблизително 1,6 × 10⁻¹⁴ кулона)
Idark: Тъмен ток
Δf: Честотна лента
Дробовият шум е пропорционален на величината на тока и е стабилен при всички честоти. Във формулата Idark представлява тъмния ток на фотодиода. Тоест, при липса на светлина, фотодиодът има нежелан шум от тъмния ток. Тъй като присъщият шум е в самия преден край на фотодетектора, колкото по-голям е тъмният ток, толкова по-голям е шумът на фотодетектора. Тъмният ток се влияе и от работното напрежение на отклонението на фотодиода, т.е. колкото по-голямо е работното напрежение на отклонението, толкова по-голям е тъмният ток. Работното напрежение на отклонението обаче влияе и на капацитета на прехода на фотодетектора, като по този начин влияе върху скоростта и честотната лента на фотодетектора. Освен това, колкото по-голямо е напрежението на отклонение, толкова по-големи са скоростта и честотната лента. Следователно, по отношение на дробовия шум, тъмния ток и честотната лента на фотодиодите, разумното проектиране трябва да се извърши в съответствие с реалните изисквания на проекта.
2. 1/f Шум от трептене
1/f шумът, известен още като трептящ шум, се среща главно в нискочестотния диапазон и е свързан с фактори като дефекти на материала или чистота на повърхността. От диаграмата на спектралните му характеристики може да се види, че спектралната му плътност на мощността е значително по-малка във високочестотния диапазон, отколкото в нискочестотния диапазон, и за всяко 100-кратно увеличение на честотата, спектралната плътност на шума линейно намалява 10 пъти. Спектралната плътност на мощността на 1/f шума е обратно пропорционална на честотата, т.е.:
Сред тях:
SI(f) : Спектрална плътност на мощността на шума
Аз: Текущ
f: Честота
1/f шумът е значителен в нискочестотния диапазон и отслабва с увеличаване на честотата. Тази характеристика го прави основен източник на смущения в нискочестотни приложения. 1/f шумът и широколентовият шум идват главно от шума от напрежението на операционния усилвател вътре в фотодетектора. Има много други източници на шум, които влияят на шума на фотодетекторите, като например шумът от захранването на операционните усилватели, токов шум и топлинният шум на резистивната мрежа в коефициента на усилване на веригите на операционните усилватели.
3. Шум на напрежението и тока на операционния усилвател: Спектралните плътности на напрежението и тока са показани на следната фигура:
В схемите на операционните усилватели, токовият шум се разделя на синфазен токов шум и инвертиращ токов шум. Синфазният токов шум i+ протича през вътрешното съпротивление на източника Rs, генерирайки еквивалентен напреженов шум u1= i+*Rs. Инвертиращият токов шум I- протича през еквивалентния резистор на усилването R, генерирайки еквивалентен напреженов шум u2= I-* R. Така че, когато RS на захранването е голям, напреженовият шум, преобразуван от токовия шум, също е много голям. Следователно, за да се оптимизира за по-добър шум, шумът на захранването (включително вътрешното съпротивление) също е ключова насока за оптимизация. Спектралната плътност на токовия шум също не се променя с промените в честотата. Следователно, след като бъде усилен от веригата, той, подобно на тъмния ток на фотодиода, цялостно формира дробовия шум на фотодетектора.
4. Термичният шум на резистивната мрежа за коефициента на усилване (коефициент на усилване) на веригата на операционния усилвател може да се изчисли по следната формула:
Сред тях:
k: константа на Болцман (1,38 × 10⁻²⁻³J/K)
T: Абсолютна температура (K)
R: Съпротивление (омове) термичен шум е свързан с температурата и стойността на съпротивлението, а спектърът му е плосък. От формулата може да се види, че колкото по-голяма е стойността на съпротивлението на усилване, толкова по-голям е термичният шум. Колкото по-голяма е честотната лента, толкова по-голям ще бъде и термичният шум. Следователно, за да се гарантира, че стойността на съпротивлението и стойността на честотната лента отговарят както на изискванията за усилване, така и на изискванията за честотна лента и в крайна сметка изискват нисък шум или високо съотношение сигнал/шум, изборът на резистори за усилване трябва да бъде внимателно обмислен и оценен въз основа на реалните изисквания на проекта, за да се постигне идеалното съотношение сигнал/шум на системата.
Обобщение
Технологията за подобряване на шума играе важна роля за подобряване на производителността на фотодетекторите и електронните устройства. Високата прецизност означава нисък шум. Тъй като технологиите изискват по-висока прецизност, изискванията за шум, съотношение сигнал/шум и еквивалентна шумова мощност на фотодетекторите също стават все по-високи.
Време на публикуване: 22 септември 2025 г.