Kuidas vähendada fotodetektorite müra

Kuidas vähendada fotodetektorite müra

Fotodetektorite müra hõlmab peamiselt: voolumüra, termilist müra, löökmüra, 1/f-müra ja lairiba müra jne. See klassifikatsioon on vaid suhteliselt ligikaudne. Seekord tutvustame üksikasjalikumaid müraomadusi ja klassifikatsioone, et aidata kõigil paremini mõista erinevat tüüpi müra mõju fotodetektorite väljundsignaalidele. Ainult müraallikate mõistmise abil saame fotodetektorite müra paremini vähendada ja parandada, optimeerides seeläbi süsteemi signaali-müra suhet.

Laskmüra on juhuslik kõikumine, mis on põhjustatud laengukandjate diskreetsest olemusest. Eriti fotoelektrilise efekti korral, kui footonid tabavad valgustundlikke komponente elektronide genereerimiseks, on nende elektronide teke juhuslik ja vastab Poissoni jaotusele. Laskmüra spektraalsed omadused on lamedad ja sagedussuurusest sõltumatud ning seetõttu nimetatakse seda ka valgeks müraks. Matemaatiline kirjeldus: Laskmüra ruutkeskmist (RMS) väärtust saab väljendada järgmiselt:

Nende hulgas:

e: Elektronlaeng (umbes 1,6 × 10⁻¹⁹ kulonit)

Idark: Tume hoovus

Δf: ribalaius

Plahvatusmüra on võrdeline voolu suurusega ja stabiilne kõigil sagedustel. Valemis tähistab Idark fotodioodi tumevoolu. See tähendab, et valguse puudumisel tekitab fotodiood soovimatut tumevoolu müra. Kuna fotodetektori esiosas on omane müra, siis mida suurem on tumevool, seda suurem on fotodetektori müra. Tumevoolu mõjutab ka fotodioodi eelpinge, see tähendab, et mida suurem on eelpinge, seda suurem on tumevool. Eelpinge mõjutab aga ka fotodetektori ülemineku mahtuvust, mõjutades seeläbi fotodetektori kiirust ja ribalaiust. Lisaks, mida suurem on eelpinge, seda suurem on kiirus ja ribalaius. Seetõttu tuleks fotodioodide plahvatusmüra, tumevoolu ja ribalaiuse toimivuse osas läbi viia mõistlik projekteerimine vastavalt tegelikele projekti nõuetele.

2. 1/f virvendusmüra

1/f-müra, tuntud ka kui virvendusmüra, esineb peamiselt madalsagedusalas ja on seotud selliste teguritega nagu materjalidefektid või pinna puhtus. Selle spektraalkarakteristiku diagrammilt on näha, et selle võimsusspektritihedus on kõrgsagedusalas oluliselt väiksem kui madalsagedusalas ja iga 100-kordse sageduse suurenemise korral väheneb spektraaltiheduse müra lineaarselt 10 korda. 1/f-müra võimsusspektritihedus on pöördvõrdeline sagedusega, st:

Nende hulgas:

SI(f): müra võimsuse spektraaltihedus

Mina: Praegune

f: Sagedus

1/f-müra on madalsagedusalas oluline ja nõrgeneb sageduse suurenedes. See omadus muudab selle madalsageduslike rakenduste peamiseks häirete allikaks. 1/f-müra ja lairiba müra tulenevad peamiselt fotodetektori sees oleva operatsioonvõimendi pingemürast. Fotodetektorite müra mõjutavad paljud muud müraallikad, näiteks operatsioonvõimendite toiteallika müra, voolumüra ja operatsioonvõimendite võimenduse takistusvõrgu termiline müra.

3. Operatsioonvõimendi pinge ja voolu müra: Pinge ja voolu spektraaltihedused on näidatud järgmisel joonisel:

Operatsioonvõimendi vooluahelates jaguneb voolumüra faasivoolumüraks ja inverteerivaks voolumüraks. Faasvoolumüra i+ voolab läbi allika sisemise takistuse Rs, tekitades ekvivalentse pingemüra u1= i+*Rs. Inverteeriva voolumüra voolab läbi võimenduse ekvivalenttakisti R, tekitades ekvivalentse pingemüra u2= I-*R. Seega, kui toiteallika RS on suur, on voolumürast teisendatud pingemüra samuti väga suur. Seetõttu on parema müra optimeerimiseks ka toiteallika müra (sh sisemine takistus) optimeerimise võtmesuund. Voolumüra spektraaltihedus ei muutu ka sageduse muutustega. Seega pärast vooluahela poolt võimendamist moodustab see, nagu fotodioodi tumevool, terviklikult fotodetektori laskumüra.

4. Operatsioonvõimendi vooluahela võimenduse (võimendusteguri) takistusvõrgu termilist müra saab arvutada järgmise valemi abil:

Nende hulgas:

k: Boltzmanni konstant (1,38 × 10⁻²⁸J/K)

T: absoluutne temperatuur (K)

R: Takistuse (oomides) termiline müra on seotud temperatuuri ja takistuse väärtusega ning selle spekter on lame. Valemist on näha, et mida suurem on võimendustakistuse väärtus, seda suurem on termiline müra. Mida suurem on ribalaius, seda suurem on ka termiline müra. Seega, et tagada takistuse ja ribalaiuse väärtuse vastavus nii võimendus- kui ka ribalaiuse nõuetele ning lõppkokkuvõttes ka madala müra või kõrge signaali-müra suhte nõuetele, tuleb võimendustakistite valikut hoolikalt kaaluda ja hinnata vastavalt tegelikele projekti nõuetele, et saavutada süsteemi ideaalne signaali-müra suhe.

Kokkuvõte

Müra vähendamise tehnoloogia mängib olulist rolli fotodetektorite ja elektroonikaseadmete jõudluse parandamisel. Suur täpsus tähendab madalat müra. Kuna tehnoloogia nõuab suuremat täpsust, muutuvad ka fotodetektorite müra, signaali-müra suhte ja ekvivalentse müravõimsuse nõuded üha kõrgemaks.