Cara mengurangi kebisingan fotodetektor

Cara mengurangi kebisingan fotodetektor

Derau fotodetektor terutama meliputi: derau arus, derau termal, derau tembakan, derau 1/f, dan derau pita lebar, dll. Klasifikasi ini hanyalah gambaran kasar. Kali ini, kami akan memperkenalkan karakteristik dan klasifikasi derau yang lebih detail untuk membantu semua orang lebih memahami dampak berbagai jenis derau terhadap sinyal keluaran fotodetektor. Hanya dengan memahami sumber derau, kita dapat mengurangi dan meningkatkan derau fotodetektor dengan lebih baik, sehingga mengoptimalkan rasio sinyal terhadap derau sistem.

Derau tembakan adalah fluktuasi acak yang disebabkan oleh sifat diskrit pembawa muatan. Terutama dalam efek fotolistrik, ketika foton menumbuk komponen fotosensitif untuk menghasilkan elektron, pembentukan 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. Deskripsi matematis: Nilai akar kuadrat rata-rata (RMS) derau tembakan dapat dinyatakan sebagai:

Diantara mereka:

e: Muatan elektronik (sekitar 1,6 × 10-19 coulomb)

Idark: Arus gelap

Δf: Lebar pita

Derau tembakan sebanding dengan besarnya arus dan stabil pada semua frekuensi. Dalam rumus, Idark mewakili arus gelap fotodioda. Artinya, saat tidak ada cahaya, fotodioda memiliki derau arus gelap yang tidak diinginkan. Sebagai derau inheren di ujung paling depan fotodetektor, semakin besar arus gelap, semakin besar 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 lebar pita fotodetektor. Selain itu, semakin besar tegangan bias, semakin besar pula kecepatan dan lebar pita. Oleh karena itu, dalam hal derau tembakan, arus gelap, dan kinerja lebar pita fotodioda, desain yang wajar harus dilakukan sesuai dengan persyaratan proyek yang sebenarnya.

2. 1/f Kebisingan Berkedip

Derau 1/f, juga dikenal sebagai derau kedip, terutama terjadi pada rentang frekuensi rendah dan berkaitan dengan faktor-faktor seperti cacat material atau kebersihan permukaan. Dari diagram karakteristik spektralnya, terlihat bahwa kerapatan spektral dayanya secara signifikan lebih kecil pada rentang frekuensi tinggi dibandingkan pada rentang frekuensi rendah, dan untuk setiap peningkatan frekuensi 100 kali lipat, derau kerapatan spektralnya berkurang secara linear sebesar 10 kali lipat. Kerapatan spektral daya derau 1/f berbanding terbalik dengan frekuensi, yaitu:

Diantara mereka:

SI(f) : Kepadatan spektral daya derau

Saya: Saat Ini

f: Frekuensi

Derau 1/f signifikan dalam 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. Ada banyak sumber derau lain yang memengaruhi derau fotodetektor, seperti derau catu daya penguat operasional, derau arus, dan derau termal jaringan resistansi dalam penguatan rangkaian penguat operasional.

3. Derau tegangan dan arus penguat operasional: Kepadatan spektral tegangan dan arus ditunjukkan pada gambar berikut:

Dalam rangkaian penguat operasional, derau arus dibagi menjadi derau arus sefasa dan derau arus pembalik. derau arus sefasa 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 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 utama untuk optimasi. Kepadatan spektral derau arus juga tidak berubah dengan variasi frekuensi. Oleh karena itu, setelah diperkuat oleh rangkaian, derau tersebut, seperti arus gelap fotodioda, secara komprehensif membentuk derau tembakan fotodetektor.

4. Derau termal jaringan resistansi terhadap penguatan (faktor amplifikasi) rangkaian penguat operasional dapat dihitung menggunakan rumus berikut:

Diantara mereka:

k: konstanta Boltzmann (1,38 × 10-23J/K)

T: Suhu Mutlak (K)

R: Derau termal resistansi (ohm) berkaitan dengan suhu dan nilai resistansi, dan spektrumnya datar. Dapat dilihat dari rumus bahwa semakin besar nilai resistansi penguatan, semakin besar pula derau termalnya. Semakin besar lebar pita, semakin besar pula derau termalnya. Oleh karena itu, untuk memastikan bahwa nilai resistansi dan lebar pita memenuhi persyaratan penguatan dan bandwidth, dan pada akhirnya juga menuntut derau rendah atau rasio sinyal-terhadap-derau tinggi, pemilihan resistor penguatan perlu dipertimbangkan dan dievaluasi secara cermat berdasarkan persyaratan proyek aktual untuk mencapai rasio sinyal-terhadap-derau sistem yang ideal.

Ringkasan

Teknologi penangkal derau berperan penting dalam meningkatkan kinerja fotodetektor dan perangkat elektronik. Presisi tinggi berarti derau rendah. Seiring dengan tuntutan presisi yang lebih tinggi, persyaratan untuk derau, rasio sinyal terhadap derau, dan daya derau ekivalen fotodetektor juga semakin tinggi.