როგორ შევამციროთ ფოტოდეტექტორების ხმაური

როგორ შევამციროთ ფოტოდეტექტორების ხმაური

ფოტოდეტექტორების ხმაური ძირითადად მოიცავს: დენის ხმაურს, თერმულ ხმაურს, გასროლის ხმაურს, 1/f ხმაურს და ფართოზოლოვან ხმაურს და ა.შ. ეს კლასიფიკაცია მხოლოდ შედარებით უხეშია. ამჯერად, ჩვენ წარმოგიდგენთ ხმაურის უფრო დეტალურ მახასიათებლებსა და კლასიფიკაციებს, რათა ყველამ უკეთ გაიგოს სხვადასხვა ტიპის ხმაურის გავლენა ფოტოდეტექტორების გამომავალ სიგნალებზე. მხოლოდ ხმაურის წყაროების გაგებით შეგვიძლია უკეთ შევამციროთ და გავაუმჯობესოთ ფოტოდეტექტორების ხმაური, რითაც ოპტიმიზაციას გავუკეთებთ სისტემის სიგნალ-ხმაურის თანაფარდობას.

გასროლის ხმაური არის შემთხვევითი რყევა, რომელიც გამოწვეულია მუხტის მატარებლების დისკრეტული ბუნებით. განსაკუთრებით ფოტოელექტრული ეფექტის დროს, როდესაც ფოტონები ეჯახებიან ფოტომგრძნობელ კომპონენტებს ელექტრონების გენერირებისთვის, ამ ელექტრონების გენერაცია შემთხვევითია და შეესაბამება პუასონის განაწილებას. გასროლის ხმაურის სპექტრული მახასიათებლები ბრტყელია და დამოუკიდებელია სიხშირის სიდიდისგან და ამიტომ მას ასევე თეთრ ხმაურს უწოდებენ. მათემატიკური აღწერა: გასროლის ხმაურის საშუალო კვადრატული (RMS) მნიშვნელობა შეიძლება გამოისახოს შემდეგნაირად:

მათ შორის:

e: ელექტრონული მუხტი (დაახლოებით 1.6 × 10-19 კულონი)

Idark: ბნელი დინება

Δf: გამტარუნარიანობა

გასროლის ხმაური პროპორციულია დენის სიდიდისა და სტაბილურია ყველა სიხშირეზე. ფორმულაში Idark წარმოადგენს ფოტოდიოდის ბნელ დენს. ანუ, სინათლის არარსებობის შემთხვევაში, ფოტოდიოდს აქვს არასასურველი ბნელი დენის ხმაური. ​​როგორც ფოტოდეტექტორის წინა ბოლოში თანდაყოლილი ხმაური, რაც უფრო დიდია ბნელი დენი, მით უფრო დიდია ფოტოდეტექტორის ხმაური. ​​ბნელ დენზე ასევე მოქმედებს ფოტოდიოდის გადახრის სამუშაო ძაბვა, ანუ რაც უფრო დიდია გადახრის სამუშაო ძაბვა, მით უფრო დიდია ბნელი დენი. თუმცა, გადახრის სამუშაო ძაბვა ასევე მოქმედებს ფოტოდეტექტორის შეერთების ტევადობაზე, რითაც გავლენას ახდენს ფოტოდეტექტორის სიჩქარესა და გამტარობაზე. უფრო მეტიც, რაც უფრო დიდია გადახრის ძაბვა, მით უფრო დიდია სიჩქარე და გამტარობა. ამიტომ, ფოტოდიოდების გასროლის ხმაურის, ბნელი დენის და გამტარობის მახასიათებლების თვალსაზრისით, გონივრული დიზაინი უნდა განხორციელდეს ფაქტობრივი პროექტის მოთხოვნების შესაბამისად.

2. 1/f ციმციმის ხმაური

1/f ხმაური, ასევე ცნობილი როგორც ციმციმის ხმაური, ძირითადად დაბალი სიხშირის დიაპაზონში გვხვდება და დაკავშირებულია ისეთ ფაქტორებთან, როგორიცაა მასალის დეფექტები ან ზედაპირის სისუფთავე. მისი სპექტრული მახასიათებლების დიაგრამიდან ჩანს, რომ მისი სიმძლავრის სპექტრული სიმკვრივე მნიშვნელოვნად მცირეა მაღალი სიხშირის დიაპაზონში, ვიდრე დაბალი სიხშირის დიაპაზონში და სიხშირის ყოველ 100-ჯერ გაზრდაზე, სპექტრული სიმკვრივის ხმაური წრფივად მცირდება 10-ჯერ. 1/f ხმაურის სიმძლავრის სპექტრული სიმკვრივე სიხშირის უკუპროპორციულია, ანუ:

მათ შორის:

SI(f): ხმაურის სიმძლავრის სპექტრული სიმკვრივე

მე: მიმდინარე

f: სიხშირე

1/f ხმაური მნიშვნელოვანია დაბალი სიხშირის დიაპაზონში და სუსტდება სიხშირის ზრდასთან ერთად. ეს მახასიათებელი მას დაბალი სიხშირის აპლიკაციებში ჩარევის მთავარ წყაროდ აქცევს. 1/f ხმაური და ფართოზოლოვანი ხმაური ძირითადად ფოტოდეტექტორის შიგნით ოპერაციული გამაძლიერებლის ძაბვის ხმაურიდან მოდის. არსებობს ხმაურის მრავალი სხვა წყარო, რომლებიც გავლენას ახდენენ ფოტოდეტექტორების ხმაურზე, როგორიცაა ოპერაციული გამაძლიერებლების კვების წყაროს ხმაური, დენის ხმაური და ოპერაციული გამაძლიერებლის სქემების გაძლიერებაში წინააღმდეგობის ქსელის თერმული ხმაური.

3. ოპერატიული გამაძლიერებლის ძაბვისა და დენის ხმაური: ძაბვისა და დენის სპექტრული სიმკვრივეები ნაჩვენებია შემდეგ ფიგურაში:

ოპერაციულ გამაძლიერებელ წრედებში, დენის ხმაური იყოფა ფაზაშიდა დენის ხმაურად და ინვერტორულ დენის ხმაურად. ფაზაშიდა დენის ხმაური i+ გადის წყაროს შიდა წინაღობის Rs-ში, რაც წარმოქმნის ეკვივალენტურ ძაბვის ხმაურს u1= i+*Rs. I- ინვერტორული დენის ხმაური გადის გაძლიერების ეკვივალენტურ რეზისტორ R-ში, რაც წარმოქმნის ეკვივალენტურ ძაბვის ხმაურს u2= I-*R. ამრიგად, როდესაც კვების წყაროს RS დიდია, დენის ხმაურიდან გარდაქმნილი ძაბვის ხმაურიც ძალიან დიდია. ამიტომ, უკეთესი ხმაურის ოპტიმიზაციისთვის, კვების წყაროს ხმაური (შიდა წინაღობის ჩათვლით) ასევე წარმოადგენს ოპტიმიზაციის ძირითად მიმართულებას. დენის ხმაურის სპექტრული სიმკვრივე ასევე არ იცვლება სიხშირის ცვალებადობასთან ერთად. ამიტომ, წრედის მიერ გაძლიერების შემდეგ, ის, ფოტოდიოდის ბნელი დენის მსგავსად, ყოვლისმომცველად ქმნის ფოტოდეტექტორის გასროლის ხმაურს.

4. ოპერაციული გამაძლიერებლის წრედის გაძლიერების (გაძლიერების კოეფიციენტის) წინააღმდეგობის ქსელის თერმული ხმაური შეიძლება გამოითვალოს შემდეგი ფორმულის გამოყენებით:

მათ შორის:

k: ბოლცმანის მუდმივა (1.38 × 10-23J/K)

T: აბსოლუტური ტემპერატურა (K)

R: წინაღობის (ომების) თერმული ხმაური დაკავშირებულია ტემპერატურასთან და წინაღობის მნიშვნელობასთან და მისი სპექტრი ბრტყელია. ფორმულიდან ჩანს, რომ რაც უფრო დიდია გამაძლიერებლის წინაღობის მნიშვნელობა, მით უფრო დიდია თერმული ხმაური. ​​რაც უფრო დიდია გამტარობა, მით უფრო დიდი იქნება თერმული ხმაურიც. ამიტომ, იმის უზრუნველსაყოფად, რომ წინაღობის მნიშვნელობა და გამტარობის მნიშვნელობა აკმაყოფილებდეს როგორც გამაძლიერებლის, ასევე გამტარობის მოთხოვნებს და საბოლოოდ მოითხოვდეს დაბალ ხმაურს ან სიგნალ-ხმაურის მაღალ თანაფარდობას, გამაძლიერებელი რეზისტორების შერჩევა ფრთხილად უნდა იქნას განხილული და შეფასებული პროექტის ფაქტობრივი მოთხოვნების საფუძველზე, სისტემის იდეალური სიგნალ-ხმაურის თანაფარდობის მისაღწევად.

რეზიუმე

ხმაურის გაუმჯობესების ტექნოლოგია მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ფოტოდეტექტორებისა და ელექტრონული მოწყობილობების მუშაობის გაუმჯობესებაში. მაღალი სიზუსტე ნიშნავს დაბალ ხმაურს. რადგან ტექნოლოგია მოითხოვს უფრო მაღალ სიზუსტეს, ფოტოდეტექტორების ხმაურის, სიგნალ-ხმაურის თანაფარდობისა და ექვივალენტური ხმაურის სიმძლავრის მოთხოვნებიც სულ უფრო და უფრო იზრდება.