Hoe het geluid van fotodetectoren te verminderen

Hoe het geluid van fotodetectoren te verminderen

De ruis van fotodetectoren omvat voornamelijk: stroomruis, thermische ruis, schotruis, 1/f-ruis en breedbandruis, enz. Deze classificatie is slechts een relatief ruwe. Deze keer zullen we meer gedetailleerde ruiskenmerken en -classificaties introduceren om iedereen te helpen de impact van verschillende soorten ruis op de uitgangssignalen van fotodetectoren beter te begrijpen. Alleen door de bronnen van ruis te begrijpen, kunnen we de ruis van fotodetectoren beter verminderen en verbeteren, en zo de signaal-ruisverhouding van het systeem optimaliseren.

Schietruis is een willekeurige fluctuatie die wordt veroorzaakt door de discrete aard van ladingsdragers. Vooral bij het foto-elektrische effect, wanneer fotonen lichtgevoelige componenten raken om elektronen te genereren, is de generatie van deze elektronen willekeurig en conform de Poisson-verdeling. De spectrale kenmerken van schotruis zijn vlak en onafhankelijk van de frequentiegrootte, en daarom wordt het ook wel witte ruis genoemd. Wiskundige beschrijving: De root mean square (RMS)-waarde van schotruis kan worden uitgedrukt als:

Onder hen:

e: Elektronische lading (ongeveer 1,6 × 10-19 coulomb)

Idark: Donkere stroom

Δf: Bandbreedte

Schietruis is evenredig met de grootte van de stroom en is stabiel op alle frequenties. In de formule staat Idark voor de donkerstroom van de fotodiode. Dat wil zeggen dat de fotodiode bij afwezigheid van licht ongewenste donkerstroomruis heeft. Aangezien er inherente ruis is aan de voorzijde van de fotodetector, geldt: hoe groter de donkerstroom, hoe groter de ruis van de fotodetector. Donkerstroom wordt ook beïnvloed door de biasspanning van de fotodiode; dat wil zeggen: hoe groter de biasspanning, hoe groter de donkerstroom. De biasspanning beïnvloedt echter ook de junctiecapaciteit van de fotodetector en beïnvloedt zo de snelheid en bandbreedte van de fotodetector. Bovendien geldt: hoe hoger de biasspanning, hoe groter de snelheid en bandbreedte. Daarom moet, wat betreft de schotruis, donkerstroom en bandbreedteprestaties van fotodiodes, een redelijk ontwerp worden uitgevoerd op basis van de werkelijke projectvereisten.

2. 1/f Flikkerruis

1/f-ruis, ook wel flikkerruis genoemd, komt voornamelijk voor in het laagfrequente bereik en is gerelateerd aan factoren zoals materiaaldefecten of oppervlaktereinheid. Uit het spectrale karakteristiekendiagram blijkt dat de spectrale vermogensdichtheid aanzienlijk lager is in het hoogfrequente bereik dan in het laagfrequente bereik, en dat voor elke 100-voudige toename in frequentie de spectrale ruisdichtheid lineair met een factor 10 afneemt. De spectrale vermogensdichtheid van 1/f-ruis is omgekeerd evenredig met de frequentie, dat wil zeggen:

Onder hen:

SI(f) : Spectrale dichtheid van het ruisvermogen

Ik: Huidig

f: Frequentie

1/f-ruis is significant in het laagfrequente bereik en neemt af naarmate de frequentie toeneemt. Deze eigenschap maakt het een belangrijke bron van interferentie in laagfrequente toepassingen. 1/f-ruis en breedbandruis komen voornamelijk voort uit de spanningsruis van de operationele versterker in de fotodetector. Er zijn vele andere bronnen van ruis die de ruis van fotodetectoren beïnvloeden, zoals de ruis van de voeding van operationele versterkers, stroomruis en thermische ruis van het weerstandsnetwerk in de versterking van operationele versterkercircuits.

3. Spanning- en stroomruis van de operationele versterker: De spanning- en stroomspectraaldichtheden worden weergegeven in de volgende afbeelding:

In operationele versterkerschakelingen wordt stroomruis verdeeld in in-fase stroomruis en inverterende stroomruis. De in-fase stroomruis i+ vloeit door de interne bronweerstand Rs en genereert een equivalente spanningsruis u1= i+*Rs. I- Inverterende stroomruis vloeit door de versterkingsweerstand R en genereert equivalente spanningsruis u2= I-*R. Dus wanneer de RS van de voeding groot is, is de spanningsruis die wordt omgezet van stroomruis ook erg groot. Om te optimaliseren voor een betere ruis, is de ruis van de voeding (inclusief de interne weerstand) daarom ook een belangrijke richting voor optimalisatie. De spectrale dichtheid van stroomruis verandert ook niet met frequentievariaties. Daarom vormt deze, na versterking door de schakeling, net als de donkerstroom van de fotodiode, volledig de shotruis van de fotodetector.

4. De thermische ruis van het weerstandsnetwerk voor de versterking (versterkingsfactor) van het operationele versterkercircuit kan worden berekend met behulp van de volgende formule:

Onder hen:

k: Boltzmann-constante (1,38 × 10-23J/K)

T: Absolute temperatuur (K)

R: Weerstand (ohm) thermische ruis is gerelateerd aan temperatuur en weerstandswaarde, en het spectrum ervan is vlak. Uit de formule blijkt dat hoe groter de versterkingsweerstandswaarde, hoe groter de thermische ruis. Hoe groter de bandbreedte, hoe groter de thermische ruis. Om er daarom voor te zorgen dat de weerstandswaarde en de bandbreedte voldoen aan zowel de versterkingseisen als de bandbreedtevereisten, en uiteindelijk ook een lage ruis of hoge signaal-ruisverhouding vereisen, moet de selectie van versterkingsweerstanden zorgvuldig worden overwogen en geëvalueerd op basis van de werkelijke projectvereisten om de ideale signaal-ruisverhouding van het systeem te bereiken.

Samenvatting

Ruisverminderende technologie speelt een belangrijke rol bij het verbeteren van de prestaties van fotodetectoren en elektronische apparaten. Hoge precisie betekent lage ruis. Naarmate technologie hogere precisie vereist, worden de eisen aan ruis, signaal-ruisverhouding en equivalent ruisvermogen van fotodetectoren ook steeds hoger.