Как уменьшить шум фотодетекторов

Как уменьшить шум фотодетекторов

Шум фотодетекторов в основном включает в себя: токовые шумы, тепловые шумы, дробовые шумы, шумы типа 1/f и широкополосные шумы и т. д. Эта классификация является лишь относительно приблизительной. В этот раз мы представим более подробные характеристики и классификацию шума, чтобы помочь всем лучше понять влияние различных типов шума на выходные сигналы фотодетекторов. Только понимая источники шума, мы сможем лучше снизить и улучшить шум фотодетекторов, тем самым оптимизировав отношение сигнал/шум системы.

Дробовой шум — это случайная флуктуация, вызванная дискретной природой носителей заряда. Особенно в фотоэлектрическом эффекте, когда фотоны попадают на фоточувствительные компоненты, генерируя электроны, генерация этих электронов происходит случайным образом и соответствует распределению Пуассона. Спектральные характеристики дробового шума плоские и не зависят от частоты, поэтому его также называют белым шумом. Математическое описание: Среднеквадратичное значение (СКЗ) дробового шума можно выразить следующим образом:

Среди них:

e: Электронный заряд (приблизительно 1,6 × 10⁻¹⁹ кулонов)

Идарк: Тёмное течение

Δf: Пропускная способность

Дробовой шум пропорционален величине тока и стабилен на всех частотах. В формуле Idark представляет собой темновой ток фотодиода. То есть, в отсутствие света фотодиод имеет нежелательный шум, вызванный темновой током. Поскольку это собственный шум на самом переднем конце фотодетектора, чем больше темновой ток, тем выше уровень шума фотодетектора. На темновой ток также влияет рабочее напряжение смещения фотодиода, то есть, чем больше рабочее напряжение смещения, тем больше темновой ток. Однако рабочее напряжение смещения также влияет на емкость перехода фотодетектора, тем самым влияя на скорость и полосу пропускания фотодетектора. Более того, чем больше напряжение смещения, тем выше скорость и полоса пропускания. Поэтому, с точки зрения дробового шума, темновой тока и полосы пропускания фотодиодов, необходимо проводить рациональную разработку в соответствии с реальными требованиями проекта.

2. 1/f Мерцание

Шум 1/f, также известный как флуктуационный шум, в основном возникает в низкочастотном диапазоне и связан с такими факторами, как дефекты материала или чистота поверхности. Из его спектральной характеристики видно, что его спектральная плотность мощности значительно меньше в высокочастотном диапазоне, чем в низкочастотном, и при каждом 100-кратном увеличении частоты спектральная плотность шума линейно уменьшается в 10 раз. Спектральная плотность мощности шума 1/f обратно пропорциональна частоте, то есть:

Среди них:

SI(f): Спектральная плотность мощности шума

Я: Текущий

f: Частота

Шум 1/f значителен в низкочастотном диапазоне и ослабевает с увеличением частоты. Эта характеристика делает его основным источником помех в низкочастотных приложениях. Шум 1/f и широкополосный шум в основном обусловлены шумом напряжения операционного усилителя внутри фотодетектора. Существует множество других источников шума, влияющих на шум фотодетекторов, таких как шум питания операционных усилителей, шум тока и тепловой шум резистивной сети в цепи усиления операционных усилителей.

3. Напряжение и токовые шумы операционного усилителя: Спектральные плотности напряжения и тока показаны на следующем рисунке:

В схемах операционных усилителей токовый шум делится на синфазный и инвертирующий. Синфазный токовый шум i+ протекает через внутреннее сопротивление источника Rs, генерируя эквивалентное напряжение шума u1 = i+*Rs. Инвертирующий токовый шум I- протекает через эквивалентный резистор усиления R, генерируя эквивалентное напряжение шума u2 = I-*R. Таким образом, когда сопротивление источника питания велико, напряжение шума, преобразованное из токового шума, также очень велико. Поэтому для оптимизации шума ключевым направлением является также шум источника питания (включая внутреннее сопротивление). Спектральная плотность токового шума также не изменяется с изменением частоты. Поэтому после усиления в схеме он, подобно темновой току фотодиода, в совокупности формирует дробовой шум фотодетектора.

4. Тепловой шум резистивной цепи для коэффициента усиления (усилителя) схемы операционного усилителя можно рассчитать по следующей формуле:

Среди них:

k: постоянная Больцмана (1,38 × 10⁻²³ Дж/К)

T: Абсолютная температура (К)

R: Сопротивление (Ом) Тепловой шум связан с температурой и значением сопротивления, и его спектр имеет плоскую форму. Из формулы видно, что чем больше значение сопротивления усиления, тем больше тепловой шум. Чем больше полоса пропускания, тем больше будет тепловой шум. Поэтому, чтобы гарантировать, что значение сопротивления и полоса пропускания соответствуют требованиям как к усилению, так и к полосе пропускания, и, в конечном итоге, требуют низкого уровня шума или высокого отношения сигнал/шум, выбор резисторов усиления необходимо тщательно продумать и оценить на основе реальных требований проекта для достижения идеального отношения сигнал/шум системы.

Краткое содержание

Технология шумоподавления играет важную роль в повышении производительности фотодетекторов и электронных устройств. Высокая точность означает низкий уровень шума. По мере того, как технологии требуют более высокой точности, требования к шуму, соотношению сигнал/шум и эквивалентной мощности шума фотодетекторов также постоянно растут.