Fotodedektörlerin gürültüsü nasıl azaltılır?

Fotodedektörlerin gürültüsü nasıl azaltılır?

Fotodedektör gürültüsü temel olarak şunları içerir: akım gürültüsü, termal gürültü, atış gürültüsü, 1/f gürültüsü ve geniş bant gürültüsü vb. Bu sınıflandırma yalnızca nispeten kaba bir sınıflandırmadır. Bu sefer, çeşitli gürültü türlerinin fotodedektörlerin çıkış sinyalleri üzerindeki etkisini daha iyi anlamanıza yardımcı olmak için daha ayrıntılı gürültü özellikleri ve sınıflandırmaları sunacağız. Yalnızca gürültü kaynaklarını anlayarak fotodedektör gürültüsünü daha iyi azaltabilir ve iyileştirebilir, böylece sistemin sinyal-gürültü oranını optimize edebiliriz.

Atış gürültüsü, yük taşıyıcılarının ayrık yapısından kaynaklanan rastgele bir dalgalanmadır. Özellikle fotoelektrik etkide, fotonlar ışığa duyarlı bileşenlere çarparak elektron ürettiğinde, bu elektronların oluşumu rastgeledir ve Poisson dağılımına uygundur. Atış gürültüsünün spektral özellikleri düzdür ve frekans büyüklüğünden bağımsızdır, bu nedenle beyaz gürültü olarak da adlandırılır. Matematiksel açıklama: Atış gürültüsünün ortalama karekök (RMS) değeri şu şekilde ifade edilebilir:

Aralarında:

e: Elektronik yük (yaklaşık 1,6 × 10-19 coulomb)

Idark: Karanlık akım

Δf: Bant Genişliği

Atış gürültüsü, akımın büyüklüğüyle orantılıdır ve tüm frekanslarda kararlıdır. Formülde, Idark fotodiyotun karanlık akımını temsil eder. Yani, ışık olmadığında, fotodiyot istenmeyen karanlık akım gürültüsüne sahiptir. Fotodetektörün en ön ucundaki doğal gürültü gibi, karanlık akım ne kadar büyükse, fotodetektörün gürültüsü de o kadar büyük olur. Karanlık akım ayrıca fotodiyotun öngerilim çalışma voltajından da etkilenir, yani öngerilim çalışma voltajı ne kadar büyükse, karanlık akımı da o kadar büyük olur. Ancak, öngerilim çalışma voltajı aynı zamanda fotodetektörün bağlantı kapasitansını da etkiler ve böylece fotodetektörün hızını ve bant genişliğini etkiler. Dahası, öngerilim voltajı ne kadar büyükse, hız ve bant genişliği de o kadar büyük olur. Bu nedenle, fotodiyotların atış gürültüsü, karanlık akımı ve bant genişliği performansı açısından, gerçek proje gereksinimlerine göre makul bir tasarım yapılmalıdır.

2. 1/f Titreşim Gürültüsü

Titreşim gürültüsü olarak da bilinen 1/f gürültüsü, çoğunlukla düşük frekans aralığında ortaya çıkar ve malzeme kusurları veya yüzey temizliği gibi faktörlerle ilişkilidir. Spektral karakteristik diyagramından, güç spektral yoğunluğunun yüksek frekans aralığında düşük frekans aralığına göre önemli ölçüde daha düşük olduğu ve frekanstaki her 100 kat artışta spektral yoğunluk gürültüsünün doğrusal olarak 10 kat azaldığı görülebilir. 1/f gürültüsünün güç spektral yoğunluğu frekansla ters orantılıdır, yani:

Aralarında:

SI(f) : Gürültü gücü spektral yoğunluğu

Ben: Güncel

f: Frekans

1/f gürültüsü düşük frekans aralığında önemlidir ve frekans arttıkça zayıflar. Bu özellik, onu düşük frekanslı uygulamalarda önemli bir parazit kaynağı haline getirir. 1/f gürültüsü ve geniş bant gürültüsü, esas olarak fotodedektörün içindeki operasyonel amplifikatörün voltaj gürültüsünden kaynaklanır. Fotodetektörlerin gürültüsünü etkileyen birçok başka gürültü kaynağı da vardır; operasyonel amplifikatörlerin güç kaynağı gürültüsü, akım gürültüsü ve operasyonel amplifikatör devrelerinin kazancındaki direnç ağının termal gürültüsü gibi.

3. İşlemsel yükseltecin gerilim ve akım gürültüsü: Gerilim ve akım spektral yoğunlukları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir:

İşlemsel yükselteç devrelerinde, akım gürültüsü, aynı fazdaki akım gürültüsü ve ters akım gürültüsü olarak ikiye ayrılır. Aynı fazdaki akım gürültüsü i+, kaynağın iç direnci Rs'den akarak eşdeğer bir gerilim gürültüsü u1= i+*Rs üretir. Ters akım gürültüsü ise kazanç eşdeğer direnci R'den akarak eşdeğer bir gerilim gürültüsü u2= I-*R üretir. Dolayısıyla, güç kaynağının RS'si büyük olduğunda, akım gürültüsünden dönüştürülen gerilim gürültüsü de çok büyük olur. Bu nedenle, daha iyi bir gürültü elde etmek için güç kaynağı gürültüsü (iç direnç dahil) de önemli bir optimizasyon yönüdür. Akım gürültüsünün spektral yoğunluğu da frekans değişimleriyle değişmez. Bu nedenle, devre tarafından yükseltildikten sonra, fotodiyotun karanlık akımı gibi, fotodedektörün atış gürültüsünü kapsamlı bir şekilde oluşturur.

4. İşlemsel yükselteç devresinin kazancı (amplifikasyon faktörü) için direnç şebekesinin termal gürültüsü aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:

Aralarında:

k: Boltzmann sabiti (1,38 × 10-23J/K)

T: Mutlak Sıcaklık (K)

R: Direnç (ohm) termal gürültüsü, sıcaklık ve direnç değeriyle ilişkilidir ve spektrumu düzdür. Formülden görülebileceği gibi, kazanç direnç değeri ne kadar büyükse, termal gürültü de o kadar büyük olur. Bant genişliği ne kadar büyükse, termal gürültü de o kadar büyük olur. Bu nedenle, direnç değeri ve bant genişliği değerinin hem kazanç hem de bant genişliği gereksinimlerini karşılamasını ve nihayetinde düşük gürültü veya yüksek sinyal-gürültü oranı gerektirmesini sağlamak için, kazanç dirençlerinin seçimi, sistemin ideal sinyal-gürültü oranını elde etmek için gerçek proje gereksinimlerine göre dikkatlice değerlendirilmeli ve değerlendirilmelidir.

Özet

Gürültü iyileştirme teknolojisi, fotodedektörlerin ve elektronik cihazların performansını artırmada önemli bir rol oynar. Yüksek hassasiyet, düşük gürültü anlamına gelir. Teknoloji daha yüksek hassasiyet gerektirdiğinden, fotodedektörlerin gürültü, sinyal-gürültü oranı ve eşdeğer gürültü gücü gereksinimleri de giderek artmaktadır.