Ինչպես նվազեցնել ֆոտոդետեկտորների աղմուկը

Ինչպես նվազեցնել ֆոտոդետեկտորների աղմուկը

Ֆոտոդետեկտորների աղմուկը հիմնականում ներառում է. հոսանքի աղմուկ, ջերմային աղմուկ, կրակոցի աղմուկ, 1/f աղմուկ և լայնաշերտ աղմուկ և այլն: Այս դասակարգումը միայն համեմատաբար մոտավոր է: Այս անգամ մենք կներկայացնենք աղմուկի ավելի մանրամասն բնութագրեր և դասակարգումներ, որպեսզի բոլորին օգնենք ավելի լավ հասկանալ տարբեր տեսակի աղմուկի ազդեցությունը ֆոտոդետեկտորների ելքային ազդանշանների վրա: Միայն աղմուկի աղբյուրները հասկանալով կարող ենք ավելի լավ նվազեցնել և բարելավել ֆոտոդետեկտորների աղմուկը, այդպիսով օպտիմալացնելով համակարգի ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցությունը:

Կրակոցի աղմուկը պատահական տատանում է, որն առաջանում է լիցքակիրների դիսկրետ բնույթից: Հատկապես ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի դեպքում, երբ ֆոտոնները հարվածում են լուսազգայուն բաղադրիչներին՝ էլեկտրոններ առաջացնելու համար, այդ էլեկտրոնների առաջացումը պատահական է և համապատասխանում է Պուասոնի բաշխմանը: Կրակոցի աղմուկի սպեկտրալ բնութագրերը հարթ են և անկախ հաճախականության մեծությունից, ուստի այն նաև կոչվում է սպիտակ աղմուկ: Մաթեմատիկական նկարագրություն. Կրակոցի աղմուկի միջին քառակուսի (RMS) արժեքը կարող է արտահայտվել հետևյալ կերպ.

Դրանց թվում են՝

e: Էլեկտրոնային լիցք (մոտավորապես 1.6 × 10-19 կուլոն)

Իդարկ՝ մութ հոսանք

Δf: թողունակություն

Կրակոցի աղմուկը համեմատական ​​է հոսանքի մեծությանը և կայուն է բոլոր հաճախականություններում: Բանաձևում Idark-ը ներկայացնում է ֆոտոդիոդի մութ հոսանքը: Այսինքն՝ լույսի բացակայության դեպքում ֆոտոդիոդն ունի անցանկալի մութ հոսանքի աղմուկ: Քանի որ ֆոտոդետեկտորի հենց առջևի մասում առկա է ներքին աղմուկ, որքան մեծ է մութ հոսանքը, այնքան մեծ է ֆոտոդետեկտորի աղմուկը: Մութ հոսանքի վրա ազդում է նաև ֆոտոդիոդի շեղման աշխատանքային լարումը, այսինքն՝ որքան մեծ է շեղման աշխատանքային լարումը, այնքան մեծ է մութ հոսանքը: Այնուամենայնիվ, շեղման աշխատանքային լարումը նաև ազդում է ֆոտոդետեկտորի միացման տարողության վրա, դրանով իսկ ազդելով ֆոտոդետեկտորի արագության և թողունակության վրա: Ավելին, որքան մեծ է շեղման լարումը, այնքան մեծ է արագությունը և թողունակությունը: Հետևաբար, ֆոտոդիոդների կրակոցի աղմուկի, մութ հոսանքի և թողունակության ցուցանիշների առումով, պետք է իրականացվի ողջամիտ նախագծում՝ համաձայն նախագծի իրական պահանջների:

2. 1/f թարթման աղմուկ

1/f աղմուկը, որը հայտնի է նաև որպես թարթող աղմուկ, հիմնականում առաջանում է ցածր հաճախականության տիրույթում և կապված է այնպիսի գործոնների հետ, ինչպիսիք են նյութական թերությունները կամ մակերեսի մաքրությունը: Դրա սպեկտրալ բնութագրերի դիագրամից կարելի է տեսնել, որ դրա հզորության սպեկտրալ խտությունը բարձր հաճախականության տիրույթում զգալիորեն փոքր է, քան ցածր հաճախականության տիրույթում, և հաճախականության յուրաքանչյուր 100 անգամ աճի դեպքում սպեկտրալ խտության աղմուկը գծայինորեն նվազում է 10 անգամ: 1/f աղմուկի հզորության սպեկտրալ խտությունը հակադարձ համեմատական ​​է հաճախականությանը, այսինքն՝

Դրանց թվում են՝

SI(f): Շումի հզորության սպեկտրալ խտություն

Ես՝ Ընթացիկ

f: Հաճախականություն

1/f աղմուկը նշանակալի է ցածր հաճախականության տիրույթում և թուլանում է հաճախականության աճին զուգընթաց։ Այս բնութագիրը այն դարձնում է ցածր հաճախականության կիրառություններում միջամտության հիմնական աղբյուր։ 1/f աղմուկը և լայնաշերտ աղմուկը հիմնականում առաջանում են լուսադետեկտորի ներսում գտնվող օպերացիոն ուժեղացուցիչի լարման աղմուկից։ Կան աղմուկի շատ այլ աղբյուրներ, որոնք ազդում են լուսադետեկտորների աղմուկի վրա, ինչպիսիք են օպերացիոն ուժեղացուցիչների սնուցման աղբյուրի աղմուկը, հոսանքի աղմուկը և օպերացիոն ուժեղացուցիչի սխեմաների ուժեղացման դիմադրության ցանցի ջերմային աղմուկը։

3. Օպերացիոն ուժեղացուցիչի լարման և հոսանքի աղմուկը. Լարման և հոսանքի սպեկտրալ խտությունները ներկայացված են հետևյալ նկարում.

Օպերացիոն ուժեղացուցիչների սխեմաներում հոսանքի աղմուկը բաժանվում է փուլային հոսանքի աղմուկի և շրջող հոսանքի աղմուկի: Փուլային հոսանքի աղմուկը i+ հոսում է աղբյուրի ներքին դիմադրության Rs միջով՝ առաջացնելով համարժեք լարման աղմուկ u1= i+*Rs: I- շրջող հոսանքի աղմուկը հոսում է ուժեղացման համարժեք դիմադրության R միջով՝ առաջացնելով համարժեք լարման աղմուկ u2= I-*R: Այսպիսով, երբ սնուցման աղբյուրի RS-ը մեծ է, հոսանքի աղմուկից փոխակերպված լարման աղմուկը նույնպես շատ մեծ է: Հետևաբար, ավելի լավ աղմուկի օպտիմալացման համար սնուցման աղբյուրի աղմուկը (ներառյալ ներքին դիմադրությունը) նույնպես օպտիմալացման հիմնական ուղղություն է: Հոսանքի աղմուկի սպեկտրալ խտությունը նույնպես չի փոխվում հաճախականության տատանումների հետ: Հետևաբար, սխեմայի կողմից ուժեղացվելուց հետո, այն, ինչպես ֆոտոդիոդի մութ հոսանքը, համապարփակ կերպով ձևավորում է ֆոտոդետեկտորի կրակոցի աղմուկը:

4. Օպերացիոն ուժեղացուցիչի սխեմայի ուժեղացման (ուժեղացման գործակից) դիմադրության ցանցի ջերմային աղմուկը կարող է հաշվարկվել հետևյալ բանաձևով.

Դրանց թվում են՝

k: Բոլցմանի հաստատուն (1.38 × 10-23J/K)

T: Բացարձակ ջերմաստիճան (K)

R: Դիմադրությունը (օհմ) ջերմային աղմուկը կապված է ջերմաստիճանի և դիմադրության արժեքի հետ, և դրա սպեկտրը հարթ է: Բանաձևից կարելի է տեսնել, որ որքան մեծ է ուժեղացման դիմադրության արժեքը, այնքան մեծ է ջերմային աղմուկը: Որքան մեծ է թողունակությունը, այնքան մեծ կլինի նաև ջերմային աղմուկը: Հետևաբար, որպեսզի դիմադրության արժեքը և թողունակության արժեքը բավարարեն ինչպես ուժեղացման, այնպես էլ թողունակության պահանջները, և, ի վերջո, պահանջեն նաև ցածր աղմուկ կամ բարձր ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցություն, ուժեղացման դիմադրությունների ընտրությունը պետք է ուշադիր դիտարկվի և գնահատվի՝ հիմնվելով իրական նախագծի պահանջների վրա՝ համակարգի իդեալական ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցությանը հասնելու համար:

Ամփոփում

Աղմուկի բարելավման տեխնոլոգիան զգալի դեր է խաղում լուսադետեկտորների և էլեկտրոնային սարքերի աշխատանքի բարելավման գործում: Բարձր ճշգրտությունը նշանակում է ցածր աղմուկ: Քանի որ տեխնոլոգիան պահանջում է ավելի բարձր ճշգրտություն, լուսադետեկտորների աղմուկի, ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցության և համարժեք աղմուկի հզորության պահանջները նույնպես ավելի ու ավելի են բարձրանում: