Как уменьшить шум фотодетекторов

Как уменьшить шум фотодетекторов

Шумы фотодетекторов в основном включают в себя: токовый шум, тепловой шум, дробовой шум, шум 1/f, широкополосный шум и т. д. Эта классификация является лишь относительно грубой. В этот раз мы представим более подробные характеристики и классификации шума, чтобы помочь всем лучше понять влияние различных типов шума на выходные сигналы фотодетекторов. Только понимание источников шума позволит нам эффективно снизить и улучшить шум фотодетекторов, тем самым оптимизируя соотношение сигнал/шум системы.

Дробовой шум – это случайная флуктуация, вызванная дискретной природой носителей заряда. В частности, при фотоэлектрическом эффекте, когда фотоны попадают на фоточувствительные компоненты, генерируя электроны, генерация этих электронов происходит случайным образом и подчиняется распределению Пуассона. Спектральные характеристики дробового шума плоские и не зависят от частоты, поэтому его также называют белым шумом. Математическое описание: Среднеквадратичное значение дробового шума можно выразить как:

Среди них:

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

Idark: Темный ток

Δf: Пропускная способность

Дробовой шум пропорционален величине тока и стабилен на всех частотах. В формуле Idark представляет собой темновой ток фотодиода. То есть, при отсутствии света фотодиод имеет нежелательный шум темнового тока. Поскольку собственный шум находится на самом входе фотодетектора, чем больше темновой ток, тем больше шум 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 больше скорость и полоса пропускания. Поэтому с точки зрения дробового шума, темнового тока и характеристик полосы пропускания фотодиодов, разумное проектирование должно осуществляться в соответствии с фактическими требованиями проекта.

2. 1/f мерцающий шум

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

Среди них:

SI(f) : Спектральная плотность мощности шума

Я: Текущий

f: Частота

Шум 1/f существенен в низкочастотном диапазоне и ослабевает с ростом 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 источника питания операционных усилителей, токовый шум и тепловой шум резистивной цепи в усилителях усиления операционных усилителей.

3. Шумы напряжения и тока операционного усилителя: Спектральные плотности напряжения и тока показаны на следующем рисунке:

В схемах операционных усилителей токовый шум делится на синфазный токовый шум и инвертирующий токовый шум. Синфазный токовый шум i+ протекает через внутреннее сопротивление источника Rs, создавая эквивалентный шум напряжения u1 = i+*Rs. Инвертирующий токовый шум I- протекает через эквивалентный резистор усиления R, создавая эквивалентный шум напряжения u2 = I-* R. Таким образом, когда RS источника питания велико, шум напряжения, преобразованный из токового шума, также очень велик. Поэтому для оптимизации для лучшего шума шум источника питания (включая внутреннее сопротивление) также является ключевым направлением для оптимизации. Спектральная плотность токового шума также не меняется с изменениями частоты. Поэтому после усиления схемой он, как и темновой ток фотодиода, в целом формирует дробовой шум фотодетектора.

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

Среди них:

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

T: Абсолютная температура (K)

R: Тепловой шум сопротивления (Ом) связан с температурой и значением сопротивления, а его спектр плоский. Из формулы видно, что чем больше значение коэффициента усиления, тем больше тепловой шум. Чем шире полоса пропускания, тем больше будет тепловой шум. Поэтому, чтобы гарантировать, что значение сопротивления и ширина полосы пропускания соответствуют как требованиям к усилению, так и требованиям к полосе пропускания, а в конечном итоге также низкому уровню шума или высокому отношению сигнал/шум, выбор резисторов усиления необходимо тщательно продумать и оценить на основе фактических требований проекта для достижения идеального отношения сигнал/шум в системе.

Краткое содержание

Технологии снижения шума играют важную роль в повышении производительности фотодетекторов и электронных устройств. Высокая точность означает низкий уровень шума. Поскольку технологии требуют всё большей точности, требования к уровню шума, отношению сигнал/шум и эквивалентной шумовой мощности фотодетекторов также постоянно растут.