Фотодетекторлардың шуды қалай азайтуға болады

Фотодетекторлардың шуды қалай азайтуға болады

Фотодетекторлардың шуылына негізінен мыналар жатады: ағымдағы шу, термиялық шу, атыс шуы, 1/f шу және кең жолақты шу және т.б. Бұл классификация тек салыстырмалы түрде өрескел болып табылады. Бұл жолы біз барлығына шудың әртүрлі түрлерінің фотодетекторлардың шығыс сигналдарына әсерін жақсырақ түсінуге көмектесу үшін толығырақ шу сипаттамалары мен классификацияларын енгіземіз. Шудың көздерін түсіну арқылы ғана біз фотодетекторлардың шуды жақсырақ азайтып, жақсарта аламыз, осылайша жүйенің сигнал-шу арақатынасын оңтайландыра аламыз.

Атыс шуы – заряд тасымалдаушылардың дискретті табиғатынан туындаған кездейсоқ тербеліс. Әсіресе фотоэффектте, фотондар электрондарды генерациялау үшін фотосезімтал компоненттерге соқтығысқанда, бұл электрондардың пайда болуы кездейсоқ және Пуассон таралуына сәйкес келеді. Атыс шуының спектрлік сипаттамалары тегіс және жиілік шамасына тәуелсіз, сондықтан оны ақ шу деп те атайды. Математикалық сипаттама: Атыс шуының орташа квадраттық (RMS) мәнін мына түрде көрсетуге болады:

Олардың арасында:

e: Электрондық заряд (шамамен 1,6 × 10-19 кулон)

Idark: қараңғы ағыс

Δf: өткізу қабілеттілігі

Атыс шуы токтың шамасына пропорционал және барлық жиіліктерде тұрақты. Формуладағы Idark фотодиодтың қараңғы тоғын білдіреді. Яғни, жарық болмаған кезде фотодиодта қажетсіз қараңғы ток шуы болады. Фотодетектордың ең алдыңғы жағындағы тән шу болғандықтан, қараңғы ток неғұрлым үлкен болса, фотодетектордың шуы соғұрлым көп болады. Қараңғы токқа фотодиодтың қиғаш жұмыс кернеуі де әсер етеді, яғни ығысу жұмыс кернеуі неғұрлым үлкен болса, соғұрлым күңгірт ток соғұрлым көп болады. Дегенмен, жұмыс кернеуінің ауытқуы фотодетектордың түйісу сыйымдылығына да әсер етеді, осылайша фотодетектордың жылдамдығы мен өткізу қабілетіне әсер етеді. Сонымен қатар, ығысу кернеуі неғұрлым үлкен болса, соғұрлым жылдамдық пен өткізу қабілеттілігі жоғары болады. Сондықтан, түсіру шуы, қараңғы ток және фотодиодтардың өткізу қабілеттілігі тұрғысынан жобаның нақты талаптарына сәйкес ақылға қонымды дизайн жүргізілуі керек.

2. 1/f жыпылықтау шуы

1/f шу, сондай-ақ жыпылықтау шуы ретінде белгілі, негізінен төмен жиілік диапазонында пайда болады және материал ақаулары немесе бет тазалығы сияқты факторларға қатысты. Оның спектрлік сипаттамалық диаграммасынан оның қуатты спектрлік тығыздығы төмен жиілік диапазонына қарағанда жоғары жиілік диапазонында айтарлықтай аз екенін және жиіліктің әрбір 100 есе артуы үшін спектрлік тығыздықтың шуы сызықты түрде 10 есе төмендейтінін көруге болады. 1/f шудың қуат спектрлік тығыздығы жиілікке кері пропорционал, яғни:

Олардың арасында:

SI(f): Шу қуатының спектрлік тығыздығы

Мен: Ағымдағы

f: Жиілік

1/f шу төмен жиілік диапазонында маңызды және жиілік артқан сайын әлсірейді. Бұл сипаттама оны төмен жиілікті қолданбаларда кедергінің негізгі көзі етеді. 1/f шу және кең жолақты шу негізінен фотодетектор ішіндегі операциялық күшейткіштің кернеу шуынан туындайды. Фотодетекторлардың шуына әсер ететін көптеген басқа шу көздері бар, мысалы, операциялық күшейткіштердің қоректену шуы, ток шуы және жұмыс күшейткіш тізбектерінің күшейтуіндегі кедергі желісінің жылулық шуы.

3. Жұмыс күшейткішінің кернеуі мен ток шуы: Кернеу мен токтың спектрлік тығыздығы келесі суретте көрсетілген:

Жұмыс күшейткіштерінің тізбектерінде ток шуы фазалық ток шуы және инвертивті ток шуы болып бөлінеді. Фазалық ток шуы i+ көзінің ішкі кедергісі Rs арқылы ағып, эквивалентті кернеу шуын u1= i+*Rs тудырады. I- Инвертивті ток шуы эквивалентті кернеу шуын тудыру үшін R күшейту эквивалентті резисторы арқылы өтеді u2= I-* R. Сондықтан қуат көзінің RS үлкен болған кезде ток шуынан түрленетін кернеу шуы да өте үлкен болады. Сондықтан жақсырақ шуды оңтайландыру үшін қуат көзінің шуы (ішкі кедергіні қоса) да оңтайландырудың негізгі бағыты болып табылады. Ток шуының спектрлік тығыздығы жиіліктің өзгеруіне байланысты да өзгермейді. Сондықтан контур арқылы күшейтілгеннен кейін ол фотодиодтың қараңғы тогы сияқты фотодетектордың түсіру шуын жан-жақты құрайды.

4. Жұмыс күшейткіш тізбегінің күшеюі (күшейткіш коэффициенті) үшін кедергі желісінің жылулық шуын келесі формула бойынша есептеуге болады:

Олардың арасында:

k: Больцман тұрақтысы (1,38 × 10-23Дж/К)

T: абсолютті температура (K)

R: Қарсылық (ом) термиялық шу температура мен қарсылық мәніне байланысты және оның спектрі тегіс. Формуладан күшейту кедергісінің мәні неғұрлым үлкен болса, термиялық шу соғұрлым жоғары болатынын көруге болады. Өткізу қабілеті неғұрлым үлкен болса, термиялық шу да соғұрлым жоғары болады. Сондықтан, қарсылық мәні мен өткізу қабілеттілігі мәнінің күшейту талаптарын да, өткізу қабілеттілігінің талаптарын да қанағаттандыруын және сайып келгенде, төмен шуды немесе жоғары сигнал-шу қатынасын талап ететінін қамтамасыз ету үшін жүйенің идеалды сигнал-шуыл қатынасына қол жеткізу үшін күшейту резисторларын таңдау жобаның нақты талаптары негізінде мұқият қарастырылуы және бағалануы керек.

Түйіндеме

Шуды жақсарту технологиясы фотодетекторлар мен электронды құрылғылардың өнімділігін арттыруда маңызды рөл атқарады. Жоғары дәлдік төмен шуды білдіреді. Технология жоғары дәлдікті талап ететіндіктен, шуылға, сигнал-шуылға қатынасы және фотодетекторлардың баламалы шу қуатына қойылатын талаптар да артып келеді.