Jak snížit šum fotodetektorů

Jak snížit šum fotodetektorů

Šum fotodetektorů zahrnuje především: proudový šum, tepelný šum, střelový šum, 1/f šum a širokopásmový šum atd. Tato klasifikace je pouze relativně hrubá. Tentokrát si představíme podrobnější charakteristiky a klasifikace šumu, abychom každému pomohli lépe pochopit dopad různých typů šumu na výstupní signály fotodetektorů. Pouze pochopením zdrojů šumu můžeme lépe snížit a zlepšit šum fotodetektorů, a tím optimalizovat poměr signálu k šumu systému.

Výstřelový šum je náhodná fluktuace způsobená diskrétní povahou nosičů náboje. Zejména u fotoelektrického jevu, kdy fotony narážejí na fotocitlivé součástky a generují elektrony, je generování těchto elektronů náhodné a odpovídá Poissonovu rozdělení. Spektrální charakteristiky výstřelového šumu jsou ploché a nezávislé na velikosti frekvence, a proto se také nazývá bílý šum. Matematický popis: Střední kvadratická hodnota (RMS) výstřelového šumu lze vyjádřit jako:

Mezi nimi:

e: Elektronický náboj (přibližně 1,6 × 10⁻¹⁴ coulombů)

Idark: Temný proud

Δf: Šířka pásma

Šum střely je úměrný velikosti proudu a je stabilní na všech frekvencích. Ve vzorci Idark představuje temný proud fotodiody. To znamená, že v nepřítomnosti světla má fotodioda nežádoucí šum tmavého proudu. Vzhledem k inherentnímu šumu na samém předním konci fotodetektoru platí, že čím větší je temný proud, tím větší je šum fotodetektoru. Temný proud je také ovlivněn provozním napětím předpětí fotodiody, tj. čím větší je provozní napětí předpětí, tím větší je temný proud. Pracovní napětí předpětí však také ovlivňuje kapacitu přechodu fotodetektoru, a tím ovlivňuje rychlost a šířku pásma fotodetektoru. Navíc čím větší je napětí předpětí, tím větší je rychlost a šířka pásma. Proto by měl být z hlediska šumu střely, temného proudu a šířky pásma fotodiod proveden rozumný návrh podle skutečných požadavků projektu.

2. 1/f mihotavý šum

1/f šum, známý také jako flicker šum, se vyskytuje hlavně v nízkofrekvenčním rozsahu a souvisí s faktory, jako jsou vady materiálu nebo čistota povrchu. Z jeho spektrálního diagramu je patrné, že jeho výkonová spektrální hustota je ve vysokofrekvenčním rozsahu výrazně menší než v nízkofrekvenčním rozsahu a s každým 100násobným zvýšením frekvence se spektrální hustota šumu lineárně snižuje 10krát. Výkonová spektrální hustota 1/f šumu je nepřímo úměrná frekvenci, tj.:

Mezi nimi:

SI(f) : Spektrální hustota výkonu šumu

Já: Proud

f: Frekvence

Šum 1/f je významný v nízkofrekvenčním rozsahu a s rostoucí frekvencí slábne. Tato vlastnost z něj činí hlavní zdroj rušení v nízkofrekvenčních aplikacích. Šum 1/f a širokopásmový šum pocházejí hlavně z napěťového šumu operačního zesilovače uvnitř fotodetektoru. Existuje mnoho dalších zdrojů šumu, které ovlivňují šum fotodetektorů, jako je šum napájecího zdroje operačních zesilovačů, proudový šum a tepelný šum odporové sítě v zesílení obvodů operačního zesilovače.

3. Napěťový a proudový šum operačního zesilovače: Spektrální hustoty napětí a proudu jsou znázorněny na následujícím obrázku:

V obvodech operačních zesilovačů se proudový šum dělí na fázový proudový šum a invertující proudový šum. Fázový proudový šum i+ protéká vnitřním odporem zdroje Rs a generuje ekvivalentní napěťový šum u1= i+*Rs. Invertující proudový šum I- protéká ekvivalentním rezistorem R pro zesílení a generuje ekvivalentní napěťový šum u2= I-*R. Pokud je tedy RS napájecího zdroje velký, je i napěťový šum převedený z proudového šumu velmi velký. Proto je pro optimalizaci lepšího šumu klíčovým směrem optimalizace také šum napájecího zdroje (včetně vnitřního odporu). Spektrální hustota proudového šumu se nemění ani s frekvenčními změnami. Po zesílení obvodem tedy, stejně jako temný proud fotodiody, komplexně tvoří záběrový šum fotodetektoru.

4. Tepelný šum odporové sítě pro zesílení (faktor zesílení) obvodu operačního zesilovače lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:

Mezi nimi:

k: Boltzmannova konstanta (1,38 × 10⁻²⁻³J/K)

T: Absolutní teplota (K)

R: Odpor (ohmy) tepelný šum souvisí s teplotou a hodnotou odporu a jeho spektrum je ploché. Z vzorce je patrné, že čím větší je hodnota odporu zesílení, tím větší je tepelný šum. Čím větší je šířka pásma, tím větší bude i tepelný šum. Aby tedy hodnota odporu a šířka pásma splňovaly požadavky na zesílení i šířku pásma a v konečném důsledku také vyžadovaly nízký šum nebo vysoký poměr signálu k šumu, je třeba pečlivě zvážit a vyhodnotit výběr zesilovacích rezistorů na základě skutečných požadavků projektu, aby se dosáhlo ideálního poměru signálu k šumu systému.

Shrnutí

Technologie pro zlepšení šumu hraje významnou roli ve zvyšování výkonu fotodetektorů a elektronických zařízení. Vysoká přesnost znamená nízký šum. Vzhledem k tomu, že technologie vyžaduje vyšší přesnost, rostou i požadavky na šum, poměr signálu k šumu a ekvivalentní šumový výkon fotodetektorů.