Si të zvogëlohet zhurma e fotodetektorëve

Si të zvogëlohet zhurma e fotodetektorëve

Zhurma e fotodetektorëve përfshin kryesisht: zhurmën e rrymës, zhurmën termike, zhurmën e të shtënave, zhurmën 1/f dhe zhurmën me brez të gjerë, etj. Ky klasifikim është vetëm relativisht i përafërt. Këtë herë, do të prezantojmë karakteristikat dhe klasifikimet më të detajuara të zhurmës për t'i ndihmuar të gjithë të kuptojnë më mirë ndikimin e llojeve të ndryshme të zhurmës në sinjalet dalëse të fotodetektorëve. Vetëm duke kuptuar burimet e zhurmës mund ta zvogëlojmë dhe përmirësojmë më mirë zhurmën e fotodetektorëve, duke optimizuar kështu raportin sinjal-zhurmë të sistemit.

Zhurma e të shtënave është një luhatje e rastësishme e shkaktuar nga natyra diskrete e bartësve të ngarkesës. Sidomos në efektin fotoelektrik, kur fotonet godasin komponentët fotosensitivë për të gjeneruar elektrone, gjenerimi i këtyre elektroneve është i rastësishëm dhe përputhet me shpërndarjen Poisson. Karakteristikat spektrale të zhurmës së të shtënave janë të sheshta dhe të pavarura nga madhësia e frekuencës, dhe për këtë arsye quhet edhe zhurmë e bardhë. Përshkrim matematik: Vlera e rrënjës mesatare katrore (RMS) e zhurmës së të shtënave mund të shprehet si:

Midis tyre:

e: Ngarkesë elektronike (afërsisht 1.6 × 10-19 kulomb)

Idark: Rrymë e errët

Δf: Gjerësia e brezit

Zhurma e të shtënave është proporcionale me madhësinë e rrymës dhe është e qëndrueshme në të gjitha frekuencat. Në formulë, Idark përfaqëson rrymën e errët të fotodiodës. Kjo do të thotë, në mungesë të dritës, fotodioda ka zhurmë të padëshiruar të rrymës së errët. Ashtu si zhurma e natyrshme në pjesën e përparme të fotodetektorit, sa më e madhe të jetë rryma e errët, aq më e madhe është zhurma e fotodetektorit. Rryma e errët ndikohet gjithashtu nga tensioni operativ i polarizimit të fotodiodës, domethënë, sa më i madh të jetë tensioni operativ i polarizimit, aq më e madhe është rryma e errët. Megjithatë, tensioni operativ i polarizimit ndikon gjithashtu në kapacitetin e kryqëzimit të fotodetektorit, duke ndikuar kështu në shpejtësinë dhe gjerësinë e brezit të fotodetektorit. Për më tepër, sa më i madh të jetë tensioni i polarizimit, aq më e madhe është shpejtësia dhe gjerësia e brezit. Prandaj, për sa i përket zhurmës së të shtënave, rrymës së errët dhe performancës së gjerësisë së brezit të fotodiodave, duhet të kryhet një projektim i arsyeshëm sipas kërkesave aktuale të projektit.

2. Zhurmë dridhjeje 1/f

Zhurma 1/f, e njohur edhe si zhurmë e lëkundjes, ndodh kryesisht në diapazonin e frekuencave të ulëta dhe lidhet me faktorë të tillë si defektet e materialit ose pastërtia e sipërfaqes. Nga diagrami i karakteristikave të saj spektrale, mund të shihet se dendësia spektrale e fuqisë së saj është dukshëm më e vogël në diapazonin e frekuencave të larta sesa në diapazonin e frekuencave të ulëta, dhe për çdo 100 herë rritje të frekuencës, zhurma e dendësisë spektrale zvogëlohet linearisht me 10 herë. Dendësia spektrale e fuqisë së zhurmës 1/f është në përpjesëtim të zhdrejtë me frekuencën, që është:

Midis tyre:

SI(f): Dendësia spektrale e fuqisë së zhurmës

Unë: Aktual

f: Frekuenca

Zhurma 1/f është e rëndësishme në diapazonin e frekuencave të ulëta dhe dobësohet me rritjen e frekuencës. Kjo karakteristikë e bën atë një burim kryesor ndërhyrjeje në aplikimet me frekuenca të ulëta. Zhurma 1/f dhe zhurma me brez të gjerë vijnë kryesisht nga zhurma e tensionit të amplifikatorit operacional brenda fotodetektorit. Ka shumë burime të tjera zhurme që ndikojnë në zhurmën e fotodetektorëve, siç është zhurma e furnizimit me energji të amplifikatorëve operacionalë, zhurma e rrymës dhe zhurma termike e rrjetit të rezistencës në fitimin e qarqeve të amplifikatorëve operacionalë.

3. Zhurma e tensionit dhe rrymës së amplifikatorit operacional: Dendësitë spektrale të tensionit dhe rrymës tregohen në figurën e mëposhtme:

Në qarqet e amplifikatorëve operacionalë, zhurma e rrymës ndahet në zhurmë të rrymës në fazë dhe zhurmë të rrymës invertuese. Zhurma e rrymës në fazë i+ rrjedh përmes rezistencës së brendshme të burimit Rs, duke gjeneruar një zhurmë ekuivalente të tensionit u1= i+*Rs. I- Zhurma e rrymës invertuese rrjedh përmes rezistencës ekuivalente të fitimit R për të gjeneruar zhurmë ekuivalente të tensionit u2= I-*R. Pra, kur RS e furnizimit me energji është e madhe, zhurma e tensionit e konvertuar nga zhurma e rrymës është gjithashtu shumë e madhe. Prandaj, për të optimizuar për zhurmë më të mirë, zhurma e furnizimit me energji (duke përfshirë rezistencën e brendshme) është gjithashtu një drejtim kyç për optimizim. Dendësia spektrale e zhurmës së rrymës nuk ndryshon as me ndryshimet e frekuencës. Prandaj, pasi amplifikohet nga qarku, ajo, ashtu si rryma e errët e fotodiodës, formon në mënyrë gjithëpërfshirëse zhurmën e shtënës së fotodetektorit.

4. Zhurma termike e rrjetit të rezistencës për fitimin (faktorin e amplifikimit) të qarkut të amplifikatorit operacional mund të llogaritet duke përdorur formulën e mëposhtme:

Midis tyre:

k: Konstantja e Boltzmanit (1.38 × 10-23J/K)

T: Temperatura Absolute (K)

R: Zhurma termike e rezistencës (ohms) lidhet me temperaturën dhe vlerën e rezistencës, dhe spektri i saj është i sheshtë. Nga formula mund të shihet se sa më e madhe të jetë vlera e rezistencës së fitimit, aq më e madhe është zhurma termike. Sa më i madh të jetë gjerësia e brezit, aq më i madh do të jetë edhe zhurma termike. Prandaj, për të siguruar që vlera e rezistencës dhe vlera e gjerësisë së brezit plotësojnë si kërkesat e fitimit ashtu edhe kërkesat e gjerësisë së brezit, dhe në fund të fundit kërkojnë edhe zhurmë të ulët ose raport të lartë sinjal-zhurmë, përzgjedhja e rezistorëve të fitimit duhet të merret në konsideratë dhe vlerësohet me kujdes bazuar në kërkesat aktuale të projektit për të arritur raportin ideal sinjal-zhurmë të sistemit.

Përmbledhje

Teknologjia e përmirësimit të zhurmës luan një rol të rëndësishëm në përmirësimin e performancës së fotodetektorëve dhe pajisjeve elektronike. Saktësi e lartë do të thotë zhurmë e ulët. Ndërsa teknologjia kërkon saktësi më të lartë, kërkesat për zhurmë, raport sinjal-zhurmë dhe fuqi ekuivalente të zhurmës së fotodetektorëve po bëhen gjithnjë e më të larta.