Hoe verminder je de ruis van fotodetectoren?

Hoe verminder je de ruis van fotodetectoren?

De ruis van fotodetectoren omvat hoofdzakelijk: stroomruis, thermische ruis, schotruis, 1/f-ruis en breedbandruis, enzovoort. Deze classificatie is slechts een grove benadering. In dit artikel 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.

Schotruis is een willekeurige fluctuatie die wordt veroorzaakt door het discrete karakter van ladingsdragers. Vooral bij het foto-elektrisch effect, wanneer fotonen lichtgevoelige componenten raken om elektronen te genereren, is de generatie van deze elektronen willekeurig en volgt deze een Poisson-verdeling. De spectrale kenmerken van schotruis zijn vlak en onafhankelijk van de frequentie, en daarom wordt het ook wel witte ruis genoemd. Mathematische beschrijving: De wortelgemiddelde kwadraatwaarde (RMS) van schotruis kan als volgt worden uitgedrukt:

Onder hen:

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

Idark: Donkere stroom

Δf: Bandbreedte

Schotruis is evenredig met de grootte van de stroom en is stabiel bij 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. Omdat dit inherente ruis is aan het begin van de fotodetector, geldt: hoe groter de donkerstroom, hoe groter de ruis van de fotodetector. De donkerstroom wordt ook beïnvloed door de bias-spanning van de fotodiode; hoe hoger de bias-spanning, hoe groter de donkerstroom. De bias-spanning beïnvloedt echter ook de junctiecapaciteit van de fotodetector, en daarmee de snelheid en bandbreedte van de fotodetector. Bovendien geldt: hoe hoger de bias-spanning, hoe groter de snelheid en bandbreedte. Daarom moet, met het oog op de schotruis, donkerstroom en bandbreedte van fotodiodes, een redelijk ontwerp worden gemaakt dat is afgestemd op de specifieke projectvereisten.

2. 1/f flikkerruis

1/f-ruis, ook wel flikkerruis genoemd, komt voornamelijk voor in het laagfrequentiebereik en is gerelateerd aan factoren zoals materiaalfouten of oppervlaktereinheid. Uit het spectrale karakteristieke diagram blijkt dat de vermogensspectrale dichtheid aanzienlijk kleiner is in het hoogfrequentiebereik dan in het laagfrequentiebereik, en dat voor elke 100-voudige frequentieverhoging de spectrale dichtheid lineair met een factor 10 afneemt. De vermogensspectrale dichtheid van 1/f-ruis is omgekeerd evenredig met de frequentie, dat wil zeggen:

Onder hen:

SI(f): Spectrale vermogensdichtheid van ruis

I: Huidig

f: Frequentie

1/f-ruis is significant in het laagfrequentiebereik en neemt af naarmate de frequentie toeneemt. Deze eigenschap maakt het een belangrijke bron van interferentie in laagfrequente toepassingen. 1/f-ruis en breedbandruis zijn voornamelijk afkomstig van de spanningsruis van de operationele versterker in de fotodetector. Er zijn echter nog vele andere ruisbronnen die de ruis van fotodetectoren beïnvloeden, zoals de voedingsruis van operationele versterkers, stroomruis en de thermische ruis van het weerstandsnetwerk in de versterkingsschakelingen van operationele versterkers.

3. Spannings- en stroomruis van de operationele versterker: De spectrale spannings- en stroomdichtheden worden weergegeven in de volgende figuur:

In operationele versterkerschakelingen wordt stroomruis opgesplitst in in-fase stroomruis en inverterende stroomruis. De in-fase stroomruis i+ vloeit door de interne weerstand Rs van de bron en genereert een equivalente spanningsruis u1 = i+ * Rs. De inverterende stroomruis i- vloeit door de equivalente versterkingsweerstand R en genereert een equivalente spanningsruis u2 = i- * R. Wanneer de RS van de voeding groot is, is de spanningsruis die uit de stroomruis wordt omgezet ook erg groot. Om de ruis te optimaliseren, is het daarom belangrijk om de ruis van de voeding (inclusief de interne weerstand) te optimaliseren. De spectrale dichtheid van de stroomruis verandert niet met frequentievariaties. Na versterking door de schakeling vormt deze, net als de donkerstroom van de fotodiode, de schotruis van de fotodetector.

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

Onder hen:

k: Boltzmannconstante (1,38 × 10⁻²³ J/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 versterkingsweerstand, hoe groter de thermische ruis. Hoe groter de bandbreedte, hoe groter de thermische ruis. Om ervoor te zorgen dat de weerstandswaarde en bandbreedte voldoen aan zowel de versterkings- als de bandbreedte-eisen, en uiteindelijk ook een lage ruis of een hoge signaal-ruisverhouding te bereiken, moet de keuze van versterkingsweerstanden zorgvuldig worden overwogen en geëvalueerd op basis van de daadwerkelijke projectvereisten om de ideale signaal-ruisverhouding van het systeem te realiseren.

Samenvatting

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