כיצד להפחית את הרעש של גלאי פוטודקטורים

כיצד להפחית את הרעש של גלאי פוטודקטורים

רעש הגלאים הפוטואלקטריים כולל בעיקר: רעש זרם, רעש תרמי, רעש ירי, רעש 1/f ורעש רחב פס וכו'. סיווג זה הוא סיווג גס יחסית. הפעם נציג מאפייני רעש וסיווגים מפורטים יותר כדי לעזור לכולם להבין טוב יותר את ההשפעה של סוגים שונים של רעש על אותות הפלט של גלאי הפוטואלקטריים. רק על ידי הבנת מקורות הרעש נוכל להפחית ולשפר טוב יותר את רעש הגלאים הפוטואלקטריים, ובכך לייעל את יחס אות לרעש של המערכת.

רעש ירי הוא תנודה אקראית הנגרמת על ידי אופיים הדיסקרטי של נושאי מטען. במיוחד באפקט הפוטואלקטרי, כאשר פוטונים פוגעים ברכיבים רגישים לאור כדי לייצר אלקטרונים, יצירת האלקטרונים הללו היא אקראית ותואמת את התפלגות פואסון. המאפיינים הספקטרליים של רעש ירי הם שטוחים ואינם תלויים בגודל התדר, ולכן הוא נקרא גם רעש לבן. תיאור מתמטי: ערך שורש ממוצע הריבועים (RMS) של רעש ירי ניתן לבטא כך:

ביניהם:

e: מטען אלקטרוני (כ-1.6 × 10-19 קולומב)

אידרק: זרם אפל

Δf: רוחב פס

רעש הירי הוא פרופורציונלי לגודל הזרם והוא יציב בכל התדרים. בנוסחה, Idark מייצג את הזרם הכהה של הפוטודיודה. כלומר, בהיעדר אור, לפוטודיודה יש ​​רעש זרם כהה לא רצוי. כרעש הטבוע בקצה הקדמי של גלאי הפוטו, ככל שזרם הכהה גדול יותר, כך רעש הפוטודיודה גדול יותר. זרם הכהה מושפע גם ממתח הפעולה ההטיה של הפוטודיודה, כלומר, ככל שמתח הפעולה ההטיה גדול יותר, כך זרם הכהה גדול יותר. עם זאת, מתח העבודה ההטיה משפיע גם על קיבול הצומת של גלאי הפוטו, ובכך משפיע על המהירות ורוחב הפס של גלאי הפוטו. יתר על כן, ככל שמתח ההטיה גדול יותר, כך המהירות ורוחב הפס גדולים יותר. לכן, מבחינת רעש הירי, זרם הכהה וביצועי רוחב הפס של פוטודיודות, יש לבצע תכנון סביר בהתאם לדרישות הפרויקט בפועל.

2. רעש הבהוב 1/f

רעש 1/f, המכונה גם רעש הבהוב, מתרחש בעיקר בתחום התדרים הנמוכים וקשור לגורמים כמו פגמי חומר או ניקיון פני השטח. מדיאגרמת המאפיינים הספקטרליים שלו, ניתן לראות שצפיפות ההספק הספקטרלית שלו קטנה משמעותית בתחום התדרים הגבוהים מאשר בתחום התדרים הנמוכים, ועבור כל עלייה של פי 100 בתדר, רעש הצפיפות הספקטרלית יורד באופן ליניארי פי 10. צפיפות ההספק הספקטרלית של רעש 1/f היא ביחס הפוך לתדר, כלומר:

ביניהם:

SI(f) : צפיפות ספקטרלית של הספק רעש

אני: נוכחי

ו: תדירות

רעש 1/f משמעותי בתחום התדרים הנמוכים ונחלש ככל שהתדר עולה. מאפיין זה הופך אותו למקור הפרעות עיקרי ביישומים בתדרים נמוכים. רעש 1/f ורעש רחב פס מגיעים בעיקר מרעש המתח של מגבר הפעולה בתוך גלאי הפוטואלקטרי. ישנם מקורות רעש רבים אחרים המשפיעים על רעש הגלאים הפוטואלקטריים, כגון רעש ספק הכוח של מגברי הפעלה, רעש זרם ורעש תרמי של רשת ההתנגדות בהגבר של מעגלי מגבר הפעלה.

3. רעש מתח וזרם של מגבר תפעולי: צפיפויות הספקטרליות של המתח והזרם מוצגות באיור הבא:

במעגלי מגברי תפעול, רעש הזרם מחולק לרעש זרם בפאזה ורעש זרם הפוך. רעש הזרם בפאזה i+ זורם דרך ההתנגדות הפנימית של המקור Rs, ויוצר רעש מתח שווה ערך u1= i+*Rs. רעש הזרם ההפוך I- זורם דרך הנגד השווה ערך R כדי ליצור רעש מתח שווה ערך u2= I-* R. לכן, כאשר ה-RS של ספק הכוח גדול, רעש המתח המומר מרעש הזרם גם הוא גדול מאוד. לכן, כדי לייעל את הרעש, רעש ספק הכוח (כולל ההתנגדות הפנימית) הוא גם כיוון מפתח לאופטימיזציה. גם הצפיפות הספקטרלית של רעש הזרם אינה משתנה עם שינויי תדר. לכן, לאחר שהוא מוגבר על ידי המעגל, הוא, כמו הזרם האפל של הפוטודיודה, יוצר באופן מקיף את רעש הירי של הפוטוגלאי.

4. ניתן לחשב את הרעש התרמי של רשת ההתנגדות עבור ההגבר (גורם הגברה) של מעגל מגבר תפעולי באמצעות הנוסחה הבאה:

ביניהם:

k: קבוע בולצמן (1.38 × 10-23 ג'אול/קלווין)

T: טמפרטורה מוחלטת (K)

R: רעש תרמי בהתנגדות (אוהם) קשור לטמפרטורה ולערך ההתנגדות, והספקטרום שלו שטוח. ניתן לראות מהנוסחה שככל שערך התנגדות ההגבר גדול יותר, כך הרעש התרמי גדול יותר. ככל שרוחב הפס גדול יותר, כך גם הרעש התרמי יהיה גדול יותר. לכן, כדי להבטיח שערך ההתנגדות וערך רוחב הפס יעמדו הן בדרישות ההגבר והן בדרישות רוחב הפס, ובסופו של דבר גם ידרשו רעש נמוך או יחס אות לרעש גבוה, יש לשקול ולהעריך בקפידה את בחירת נגדי ההגבר בהתבסס על דרישות הפרויקט בפועל כדי להשיג את יחס אות לרעש האידיאלי של המערכת.

תַקצִיר

טכנולוגיית שיפור רעש ממלאת תפקיד משמעותי בשיפור ביצועי גלאי אור ומכשירים אלקטרוניים. דיוק גבוה פירושו רעש נמוך. ככל שהטכנולוגיה דורשת דיוק גבוה יותר, הדרישות לרעש, יחס אות לרעש ועוצמת רעש שווה ערך של גלאי אור הולכות וגדלות.