Cara mengurangi noise pada fotodetektor
Derau pada fotodetektor terutama meliputi: derau arus, derau termal, derau tembak, derau 1/f, dan derau pita lebar, dll. Klasifikasi ini hanya bersifat kasar. Kali ini, kami akan memperkenalkan karakteristik dan klasifikasi derau yang lebih detail untuk membantu semua orang lebih memahami dampak berbagai jenis derau pada sinyal keluaran fotodetektor. Hanya dengan memahami sumber derau, kita dapat mengurangi dan meningkatkan derau fotodetektor dengan lebih baik, sehingga mengoptimalkan rasio sinyal terhadap derau pada sistem.
Derau tembakan (shot noise) adalah fluktuasi acak yang disebabkan oleh sifat diskrit pembawa muatan. Terutama dalam efek fotolistrik, ketika foton mengenai komponen fotosensitif untuk menghasilkan elektron, pembangkitan elektron ini bersifat acak dan sesuai dengan distribusi Poisson. Karakteristik spektral derau tembakan bersifat datar dan tidak bergantung pada besaran frekuensi, sehingga disebut juga derau putih (white noise). Deskripsi matematis: Nilai root mean square (RMS) dari derau tembakan dapat dinyatakan sebagai:
Di antaranya:
e: Muatan elektron (kira-kira 1,6 × 10⁻¹⁹ coulomb)
Idark: Arus gelap
Δf: Lebar Pita
Derau tembakan (shot noise) berbanding lurus dengan besarnya arus dan stabil pada semua frekuensi. Dalam rumus tersebut, Idark mewakili arus gelap fotodioda. Artinya, tanpa adanya cahaya, fotodioda memiliki derau arus gelap yang tidak diinginkan. Sebagai derau bawaan di ujung depan fotodetektor, semakin besar arus gelap, semakin besar pula derau fotodetektor. Arus gelap juga dipengaruhi oleh tegangan operasi bias fotodioda, yaitu, semakin besar tegangan operasi bias, semakin besar arus gelap. Namun, tegangan kerja bias juga memengaruhi kapasitansi sambungan fotodetektor, sehingga memengaruhi kecepatan dan bandwidth fotodetektor. Selain itu, semakin besar tegangan bias, semakin besar kecepatan dan bandwidth. Oleh karena itu, dalam hal kinerja derau tembakan, arus gelap, dan bandwidth fotodioda, desain yang wajar harus dilakukan sesuai dengan persyaratan proyek aktual.
2. 1/f Kedipan Derau
Derau 1/f, juga dikenal sebagai derau flicker, terutama terjadi pada rentang frekuensi rendah dan terkait dengan faktor-faktor seperti cacat material atau kebersihan permukaan. Dari diagram karakteristik spektralnya, dapat dilihat bahwa kerapatan spektral dayanya jauh lebih kecil pada rentang frekuensi tinggi daripada pada rentang frekuensi rendah, dan untuk setiap peningkatan frekuensi 100 kali, kerapatan spektral derau menurun secara linier sebesar 10 kali. Kerapatan spektral daya derau 1/f berbanding terbalik dengan frekuensi, yaitu:
Di antaranya:
SI(f) : Kepadatan spektral daya kebisingan
Saya: Saat ini
f: Frekuensi
Derau 1/f signifikan pada rentang frekuensi rendah dan melemah seiring meningkatnya frekuensi. Karakteristik ini menjadikannya sumber interferensi utama dalam aplikasi frekuensi rendah. Derau 1/f dan derau pita lebar terutama berasal dari derau tegangan penguat operasional di dalam fotodetektor. Terdapat banyak sumber derau lain yang memengaruhi derau fotodetektor, seperti derau catu daya penguat operasional, derau arus, dan derau termal dari jaringan resistansi pada penguatan rangkaian penguat operasional.
3. Derau tegangan dan arus pada penguat operasional: Kepadatan spektral tegangan dan arus ditunjukkan pada gambar berikut:
Dalam rangkaian penguat operasional, derau arus dibagi menjadi derau arus sefase dan derau arus pembalik. Derau arus sefase i+ mengalir melalui resistansi internal sumber Rs, menghasilkan derau tegangan ekivalen u1 = i+ * Rs. Derau arus pembalik I- mengalir melalui resistor ekivalen penguatan R untuk menghasilkan derau tegangan ekivalen u2 = I- * R. Jadi, ketika RS dari catu daya besar, derau tegangan yang dikonversi dari derau arus juga sangat besar. Oleh karena itu, untuk mengoptimalkan derau yang lebih baik, derau catu daya (termasuk resistansi internal) juga merupakan arah optimasi utama. Kepadatan spektral derau arus juga tidak berubah dengan variasi frekuensi. Oleh karena itu, setelah diperkuat oleh rangkaian, seperti arus gelap fotodioda, ia secara komprehensif membentuk derau tembakan (shot noise) dari fotodetektor.
4. Derau termal dari jaringan resistansi untuk penguatan (faktor amplifikasi) dari rangkaian penguat operasional dapat dihitung menggunakan rumus berikut:
Di antaranya:
k: Konstanta Boltzmann (1,38 × 10⁻²³ J/K)
T: Suhu Mutlak (K)
R: Resistansi (ohm) Derau termal berkaitan dengan suhu dan nilai resistansi, dan spektrumnya datar. Dapat dilihat dari rumus bahwa semakin besar nilai resistansi penguatan, semakin besar derau termal. Semakin besar bandwidth, semakin besar pula derau termalnya. Oleh karena itu, untuk memastikan bahwa nilai resistansi dan nilai bandwidth memenuhi persyaratan penguatan dan persyaratan bandwidth, dan pada akhirnya juga menuntut derau rendah atau rasio sinyal terhadap derau tinggi, pemilihan resistor penguatan perlu dipertimbangkan dan dievaluasi dengan cermat berdasarkan persyaratan proyek aktual untuk mencapai rasio sinyal terhadap derau ideal dari sistem.
Ringkasan
Teknologi peningkatan noise memainkan peran penting dalam meningkatkan kinerja fotodetektor dan perangkat elektronik. Presisi tinggi berarti noise rendah. Seiring dengan meningkatnya tuntutan teknologi akan presisi yang lebih tinggi, persyaratan untuk noise, rasio sinyal terhadap noise, dan daya noise setara pada fotodetektor juga semakin tinggi.
Waktu posting: 22 September 2025