Hur man minskar bruset från fotodetektorer

Hur man minskar bruset från fotodetektorer

Bruset från fotodetektorer omfattar huvudsakligen: strömbrus, termiskt brus, skottbrus, 1/f-brus och bredbandsbrus, etc. Denna klassificering är endast relativt grov. Den här gången kommer vi att introducera mer detaljerade brusegenskaper och klassificeringar för att hjälpa alla att bättre förstå hur olika typer av brus påverkar fotodetektorernas utsignaler. Endast genom att förstå bruskällorna kan vi bättre minska och förbättra bruset från fotodetektorer och därigenom optimera systemets signal-brusförhållande.

Skottbrus är en slumpmässig fluktuation orsakad av laddningsbärarnas diskreta natur. Speciellt inom den fotoelektriska effekten, när fotoner träffar ljuskänsliga komponenter för att generera elektroner, är genereringen av dessa elektroner slumpmässig och överensstämmer med Poissonfördelningen. De spektrala egenskaperna hos skottbrus är plana och oberoende av frekvensstorlek, och kallas därför även vitt brus. Matematisk beskrivning: Rotmedelkvadratvärdet (RMS) för skottbrus kan uttryckas som:

Bland dem:

e: Elektronisk laddning (ungefär 1,6 × 10⁻¹ coulomb)

Idark: Mörk ström

Δf: Bandbredd

Skottbruset är proportionellt mot strömmens storlek och är stabilt vid alla frekvenser. I formeln representerar Idark fotodiodens mörkström. Det vill säga, i frånvaro av ljus har fotodioden oönskat mörkströmsbrus. Precis som det inneboende bruset i fotodetektorns främre ände, ju större mörkströmmen är, desto större blir bruset från fotodetektorn. Mörkströmmen påverkas också av fotodiodens förspänningsdriftspänning, det vill säga ju större förspänningsdriftspänningen är, desto större är mörkströmmen. Förspänningsdriftspänningen påverkar dock också fotodetektorns övergångskapacitans, vilket påverkar fotodetektorns hastighet och bandbredd. Dessutom, ju större förspänningsspänningen är, desto större är hastigheten och bandbredden. Därför bör rimlig design utföras i enlighet med de faktiska projektkraven när det gäller skottbrus, mörkström och bandbreddsprestanda hos fotodioder.

2. 1/f flimmerbrus

1/f-brus, även känt som flimmerbrus, förekommer huvudsakligen i lågfrekvensområdet och är relaterat till faktorer som materialdefekter eller ytrenhet. Från dess spektrala karaktäristikdiagram kan man se att dess effektspektraltäthet är betydligt mindre i högfrekvensområdet än i lågfrekvensområdet, och för varje 100-faldig ökning av frekvensen minskar spektraltäthetsbruset linjärt med 10 gånger. Effektspektraltätheten för 1/f-brus är omvänt proportionell mot frekvensen, det vill säga:

Bland dem:

SI(f): Bruseffektspektraltäthet

I: Nuvarande

f: Frekvens

1/f-brus är betydande i lågfrekvensområdet och försvagas när frekvensen ökar. Denna egenskap gör det till en viktig störningskälla i lågfrekventa tillämpningar. 1/f-brus och bredbandsbrus kommer huvudsakligen från spänningsbruset från operationsförstärkaren inuti fotodetektorn. Det finns många andra bruskällor som påverkar bruset från fotodetektorer, såsom strömförsörjningsbruset från operationsförstärkare, strömbrus och termiskt brus från resistansnätet i förstärkningen i operationsförstärkarkretsar.

3. Spännings- och strömbrus från operationsförstärkaren: Spännings- och strömspektraltätheterna visas i följande figur:

I operationsförstärkarkretsar delas strömbrus in i strömbrus i fas och inverterande strömbrus. Strömbruset i fas, i+, flyter genom källans interna resistans Rs och genererar ett ekvivalent spänningsbrus u1= i+*Rs. I- Inverterande strömbrus flyter genom förstärkningsekvivalentmotståndet R för att generera ekvivalent spänningsbrus u2= I-* R. Så när strömförsörjningens RS är stor, är spänningsbruset som omvandlas från strömbruset också mycket stort. För att optimera för bättre brus är därför strömförsörjningens brus (inklusive intern resistans) också en viktig riktning för optimering. Strömbrusets spektraltäthet förändras inte heller med frekvensvariationer. Därför, efter att ha förstärkts av kretsen, bildar det, liksom fotodiodens mörkström, heltäckande fotodetektorns skottbrus.

4. Det termiska bruset i resistansnätet för förstärkningsfaktorn (förstärkningsfaktorn) i operationsförstärkarkretsen kan beräknas med följande formel:

Bland dem:

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

T: Absolut temperatur (K)

R: Resistans (ohm) termiskt brus är relaterat till temperatur och resistansvärde, och dess spektrum är platt. Det framgår av formeln att ju större förstärkningsresistansvärdet är, desto större är det termiska bruset. Ju större bandbredd, desto större blir också det termiska bruset. För att säkerställa att resistansvärdet och bandbreddsvärdet uppfyller både förstärkningskraven och bandbreddskraven, och i slutändan också kräver lågt brus eller högt signal-brusförhållande, måste valet av förstärkningsmotstånd noggrant övervägas och utvärderas baserat på de faktiska projektkraven för att uppnå det ideala signal-brusförhållandet för systemet.

Sammanfattning

Brusförbättringsteknik spelar en viktig roll för att förbättra prestandan hos fotodetektorer och elektroniska apparater. Hög precision innebär lågt brus. I takt med att tekniken kräver högre precision blir också kraven på brus, signal-brusförhållande och ekvivalent bruseffekt hos fotodetektorer högre och högre.