Como reducir o ruído dos fotodetectores

Como reducir o ruído dos fotodetectores

O ruído dos fotodetectores inclúe principalmente: ruído de corrente, ruído térmico, ruído de disparo, ruído 1/f e ruído de banda ancha, etc. Esta clasificación é só relativamente aproximada. Esta vez, presentaremos características e clasificacións do ruído máis detalladas para axudar a todos a comprender mellor o impacto dos distintos tipos de ruído nos sinais de saída dos fotodetectores. Só comprendendo as fontes de ruído podemos reducir e mellorar mellor o ruído dos fotodetectores, optimizando así a relación sinal-ruído do sistema.

O ruído de disparo é unha flutuación aleatoria causada pola natureza discreta dos portadores de carga. Especialmente no efecto fotoeléctrico, cando os fotóns golpean compoñentes fotosensibles para xerar electróns, a xeración destes electróns é aleatoria e axústase á distribución de Poisson. As características espectrais do ruído de disparo son planas e independentes da magnitude de frecuencia, polo que tamén se denomina ruído branco. Descrición matemática: o valor da raíz cuadrática media (RMS) do ruído de disparo pódese expresar como:

Entre eles:

e: Carga electrónica (aproximadamente 1,6 × 10⁻¹⁹ culombios)

Idark: Corrente escura

Δf: Ancho de banda

O ruído de disparo é proporcional á magnitude da corrente e é estable en todas as frecuencias. Na fórmula, Idark representa a corrente de escuridade do fotodiodo. É dicir, en ausencia de luz, o fotodiodo ten ruído de corrente de escuridade non desexado. Como o ruído inherente no extremo frontal do fotodetector, canto maior sexa a corrente de escuridade, maior será o ruído do fotodetector. A corrente de escuridade tamén se ve afectada pola tensión de funcionamento de polarización do fotodiodo, é dicir, canto maior sexa a tensión de funcionamento de polarización, maior será a corrente de escuridade. Non obstante, a tensión de funcionamento de polarización tamén afecta á capacitancia de unión do fotodetector, influíndo así na velocidade e no ancho de banda do fotodetector. Ademais, canto maior sexa a tensión de polarización, maior será a velocidade e o ancho de banda. Polo tanto, en termos do ruído de disparo, a corrente de escuridade e o rendemento do ancho de banda dos fotodiodos, débese levar a cabo un deseño razoable segundo os requisitos reais do proxecto.

2. Ruído de parpadeo de 1/f

O ruído 1/f, tamén coñecido como ruído de parpadeo, prodúcese principalmente no rango de baixa frecuencia e está relacionado con factores como defectos do material ou limpeza da superficie. A partir do seu diagrama de características espectrais, pódese ver que a súa densidade espectral de potencia é significativamente menor no rango de alta frecuencia que no rango de baixa frecuencia, e por cada aumento 100 veces na frecuencia, o ruído de densidade espectral diminúe linealmente en 10 veces. A densidade espectral de potencia do ruído 1/f é inversamente proporcional á frecuencia, é dicir:

Entre eles:

SI(f): Densidade espectral de potencia de ruído

Eu: Actual

f: Frecuencia

O ruído 1/f é significativo no rango de baixa frecuencia e diminúe a medida que a frecuencia aumenta. Esta característica convérteo nunha fonte importante de interferencias en aplicacións de baixa frecuencia. O ruído 1/f e o ruído de banda ancha proveñen principalmente do ruído de tensión do amplificador operacional dentro do fotodetector. Hai moitas outras fontes de ruído que afectan o ruído dos fotodetectores, como o ruído da fonte de alimentación dos amplificadores operacionais, o ruído de corrente e o ruído térmico da rede de resistencia na ganancia dos circuítos amplificadores operacionais.

3. Ruído de tensión e corrente do amplificador operacional: As densidades espectrais de tensión e corrente móstranse na seguinte figura:

Nos circuítos amplificadores operacionais, o ruído de corrente divídese en ruído de corrente en fase e ruído de corrente inversora. O ruído de corrente en fase i+ flúe a través da resistencia interna da fonte Rs, xerando un ruído de tensión equivalente u1 = i+*Rs. O ruído de corrente inversora I- flúe a través da resistencia equivalente de ganancia R para xerar un ruído de tensión equivalente u2 = I-* R. Entón, cando o RS da fonte de alimentación é grande, o ruído de tensión convertido a partir do ruído de corrente tamén é moi grande. Polo tanto, para optimizar para un mellor ruído, o ruído da fonte de alimentación (incluída a resistencia interna) tamén é unha dirección clave para a optimización. A densidade espectral do ruído de corrente tampouco cambia coas variacións de frecuencia. Polo tanto, despois de ser amplificado polo circuíto, este, como a corrente escura do fotodíodo, forma integralmente o ruído de disparo do fotodetector.

4. O ruído térmico da rede de resistencias para a ganancia (factor de amplificación) do circuíto amplificador operacional pódese calcular usando a seguinte fórmula:

Entre eles:

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

T: Temperatura absoluta (K)

R: Resistencia (ohmios) O ruído térmico está relacionado coa temperatura e o valor da resistencia, e o seu espectro é plano. Pódese ver na fórmula que canto maior sexa o valor da resistencia de ganancia, maior será o ruído térmico. Canto maior sexa o ancho de banda, maior será tamén o ruído térmico. Polo tanto, para garantir que o valor da resistencia e o valor do ancho de banda cumpran tanto os requisitos de ganancia como os requisitos de ancho de banda e, en última instancia, tamén esixan unha relación sinal-ruído baixa ou alta, a selección das resistencias de ganancia debe considerarse e avaliarse coidadosamente en función dos requisitos reais do proxecto para lograr a relación sinal-ruído ideal do sistema.

Resumo

A tecnoloxía de mellora do ruído xoga un papel importante na mellora do rendemento dos fotodetectores e dispositivos electrónicos. Alta precisión significa baixo ruído. A medida que a tecnoloxía esixe unha maior precisión, os requisitos de ruído, relación sinal-ruído e potencia de ruído equivalente dos fotodetectores tamén son cada vez maiores.