Фотодетекторлардың шуын қалай азайтуға болады

Фотодетекторлардың шуын қалай азайтуға болады

Фотодетекторлардың шуы негізінен мыналарды қамтиды: ток шуы, жылу шуы, ату шуы, 1/f шуы және кең жолақты шу және т.б. Бұл жіктеу салыстырмалы түрде шамамен ғана. Бұл жолы біз фотодетекторлардың шығыс сигналдарына әртүрлі шу түрлерінің әсерін жақсы түсінуге көмектесу үшін шудың егжей-тегжейлі сипаттамалары мен жіктемелерін енгіземіз. Тек шу көздерін түсіну арқылы ғана фотодетекторлардың шуын жақсырақ азайтып, жақсарта аламыз, осылайша жүйенің сигнал-шу қатынасын оңтайландыра аламыз.

Атыс шуы – заряд тасымалдаушылардың дискретті табиғатынан туындаған кездейсоқ ауытқу. Әсіресе фотоэлектрлік эффект кезінде, фотондар электрондарды генерациялау үшін фотосезімтал компоненттерге соқтығысқанда, бұл электрондардың генерациясы кездейсоқ болады 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 келесідей көрсетуге болады:

Олардың арасында:

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

Идарк: Қараңғы ток

Δf: Өткізу қабілеті

Атыс шуы ток шамасына пропорционалды және барлық жиіліктерде тұрақты. Формулада Idark фотодиодтың қараңғы тогын білдіреді. Яғни, жарық болмаған кезде фотодиодта қажетсіз қараңғы ток шуы болады. Фотодетектордың алдыңғы жағындағы ішкі шу сияқты, қараңғы ток неғұрлым үлкен болса, фотодетектордың шуы соғұрлым көп болады. Қараңғы токқа фотодиодтың ығысу жұмыс кернеуі де әсер етеді, яғни ығысу жұмыс кернеуі неғұрлым үлкен болса, қараңғы ток соғұрлым көп болады. Дегенмен, ығысу жұмыс кернеуі фотодетектордың түйіспе сыйымдылығына да әсер етеді, осылайша фотодетектордың жылдамдығы мен өткізу қабілеттілігіне әсер етеді. Сонымен қатар, ығысу кернеуі неғұрлым үлкен болса, жылдамдық пен өткізу қабілеттілігі соғұрлым көп болады. Сондықтан, фотодиодтардың ығысу шуы, қараңғы ток және өткізу қабілеттілігінің өнімділігі тұрғысынан жобаның нақты талаптарына сәйкес ақылға қонымды жобалау жүргізілуі керек.

2. 1/f жыпылықтайтын шу

1/f шуы, сондай-ақ жыпылықтайтын шу деп те аталады, негізінен төмен жиілікті диапазонда пайда болады және материалдық ақаулар немесе беттің тазалығы сияқты факторларға байланысты. Оның спектрлік сипаттамалық диаграммасынан оның қуат спектрлік тығыздығы жоғары жиілікті диапазонда төмен жиілікті диапазонға қарағанда айтарлықтай аз екенін және жиіліктің әрбір 100 есе артуымен спектрлік тығыздық шуы сызықтық түрде 10 есе азаятынын көруге болады. 1/f шуының қуат спектрлік тығыздығы жиілікке кері пропорционалды, яғни:

Олардың арасында:

SI(f): Шу қуатының спектрлік тығыздығы

I: Ағымдағы

f: Жиілік

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

3. Операциялық күшейткіштің кернеуі мен ток шуы: Кернеу мен токтың спектрлік тығыздығы келесі суретте көрсетілген:

Операциялық күшейткіш тізбектерінде ток шуы фаза ішіндегі ток шуы және инверсиялық ток шуы болып бөлінеді. Фаза ішіндегі ток шуы i+ көздің ішкі кедергісі Rs арқылы ағып, u1= i+*Rs эквивалентті кернеу шуын тудырады. I- Инверсиялық ток шуы күшейту эквивалентті резистор R арқылы ағып, u2= I-* R эквивалентті кернеу шуын тудырады. Сондықтан қуат көзінің RS үлкен болған кезде, ток шуынан түрлендірілген кернеу шуы да өте үлкен болады. Сондықтан, шуылдың жақсаруын оңтайландыру үшін қуат көзінің шуы (ішкі кедергіні қоса алғанда) да оңтайландырудың негізгі бағыты болып табылады. Ток шуының спектрлік тығыздығы жиілік өзгерістерімен де өзгермейді. Сондықтан, тізбек арқылы күшейтілгеннен кейін, ол, фотодиодтың қараңғы тогы сияқты, фотодетектордың ату шуын кешенді түрде құрайды.

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

Олардың арасында:

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

T: Абсолюттік температура (K)

R: Кедергі (ом) жылулық шуы температура мен кедергі мәнімен байланысты және оның спектрі тегіс. Формуладан күшейту кедергісінің мәні неғұрлым үлкен болса, жылулық шу соғұрлым үлкен болатынын көруге болады. Өткізу жолағы неғұрлым үлкен болса, жылулық шу да соғұрлым үлкен болады. Сондықтан, кедергі мәні мен өткізу жолағының мәні күшейту талаптарына да, өткізу жолағының талаптарына да сәйкес келетініне және сайып келгенде төмен шу немесе жоғары сигнал-шу қатынасын талап ететініне көз жеткізу үшін, жүйенің идеалды сигнал-шу қатынасына қол жеткізу үшін күшейту резисторларын таңдауды жобаның нақты талаптарына негіздеп мұқият қарастырып, бағалау қажет.

Қысқаша мазмұны

Шуды азайту технологиясы фотодетекторлар мен электрондық құрылғылардың өнімділігін арттыруда маңызды рөл атқарады. Жоғары дәлдік төмен шуыл дегенді білдіреді. Технология жоғары дәлдікті талап еткендіктен, фотодетекторлардың шуылға, сигнал-шу қатынасына және баламалы шу күшіне қойылатын талаптар да жоғарылап келеді.