تحلیل خطاهای سیستم آشکارساز نوری

تحلیل خطاهای سیستم آشکارساز نوری

I. مقدمه‌ای بر عوامل مؤثر بر خطاهای سیستم درآشکارساز نوری

ملاحظات خاص برای خطای سیستماتیک عبارتند از: ۱. انتخاب اجزا:فوتودیودها، تقویت‌کننده‌های عملیاتی، مقاومت‌ها، خازن‌ها، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC)، آی‌سی‌های منبع تغذیه و منابع ولتاژ مرجع. ۲. محیط کار: تأثیر دما و رطوبت و غیره. ۳. قابلیت اطمینان سیستم: پایداری سیستم، عملکرد EMC.

دوم. تحلیل خطای سیستم آشکارسازهای نوری

۱. فوتودیود: در یکتشخیص فوتوالکتریکسیستم، تأثیر فوتودیودها بر خطاهای سیستمسیستم فوتوالکتریکعمدتاً در جنبه‌های زیر آشکار می‌شود:

(1) حساسیت (S)/ تفکیک‌پذیری: نسبت افزایش سیگنال خروجی (ولتاژ/جریان) △y به افزایش ورودی △x که باعث افزایش خروجی △y می‌شود. یعنی، s=△y/△x. حساسیت/ تفکیک‌پذیری شرط اصلی انتخاب حسگر است. این پارامتر به طور خاص در همبستگی مستقیم فوتودیودها به عنوان جریان تاریک و در نمود خاص فوتودتکتورها به عنوان توان معادل نویز (NEP) آشکار می‌شود. بنابراین، اساسی‌ترین تحلیل خطای سیستماتیک مستلزم آن است که حساسیت (S)/ تفکیک‌پذیری باید بالاتر از نیاز خطای واقعی باشد تا بتواند الزامات خطای کل سیستم فوتوالکتریک را برآورده کند، زیرا تأثیر خطای ناشی از عواملی که بعداً ذکر شد نیز باید در نظر گرفته شود.

(2) خطی بودن (δL): درجه خطی بودن رابطه کمی بین خروجی و ورودی آشکارساز نوری. yfs خروجی در مقیاس کامل و △Lm حداکثر انحراف خطی بودن است. این امر به طور خاص در خطی بودن و توان نور اشباع خطی آشکارساز نوری آشکار می‌شود.

(3) پایداری/تکرارپذیری: آشکارساز نوری برای ورودی تصادفی یکسان، ناهماهنگی خروجی دارد که یک خطای تصادفی است. حداکثر انحراف حرکت‌های رو به جلو و معکوس در نظر گرفته می‌شود.

(4) هیسترزیس: پدیده‌ای که در آن منحنی‌های مشخصه ورودی-خروجی یک آشکارساز نوری در طول حرکت رو به جلو و معکوس آن همپوشانی ندارند.

(5) رانش دما: تأثیر هر تغییر 1 درجه سانتیگراد در دما بر تغییر خروجی آشکارساز نوری. انحراف رانش دما △Tm ناشی از رانش دما از طریق محاسبه رانش دما در محدوده دمای محیط کار △T محاسبه می‌شود.

(6) رانش زمان: پدیده‌ای که در آن خروجی یک آشکارساز نوری با گذشت زمان تغییر می‌کند، در حالی که متغیر ورودی بدون تغییر باقی می‌ماند (علل آن عمدتاً به دلیل تغییرات در ساختار ترکیب خود آشکارساز است). تأثیر انحراف جامع آشکارساز نوری بر سیستم از طریق جمع برداری محاسبه می‌شود.

۲. تقویت‌کننده‌های عملیاتی: پارامترهای کلیدی مؤثر بر خطای سیستم تقویت‌کننده‌های عملیاتی ولتاژ آفست Vos، رانش دمای Vos، جریان آفست ورودی Ios، رانش دمای Ios، جریان بایاس ورودی Ib، امپدانس ورودی، خازن ورودی، نویز (نویز ولتاژ ورودی، نویز جریان ورودی) نویز حرارتی بهره طراحی، نسبت حذف منبع تغذیه (PSRR)، نسبت حذف حالت مشترک (CMR)، بهره حلقه باز (AoL)، حاصلضرب بهره در پهنای باند (GBW)، نرخ چرخش (SR)، زمان برقراری، اعوجاج هارمونیکی کل.

اگرچه پارامترهای تقویت‌کننده‌های عملیاتی به اندازه انتخاب فوتودیودها، یک جزء مهم سیستم هستند، اما به دلیل محدودیت‌های فضا، تعاریف و توضیحات خاص پارامترها در اینجا شرح داده نخواهد شد. در طراحی واقعی فوتودتکتورها، تأثیر این پارامترها بر خطاهای سیستماتیک باید ارزیابی شود. اگرچه همه پارامترها ممکن است تأثیر قابل توجهی بر الزامات پروژه شما نداشته باشند، بسته به سناریوهای کاربردی واقعی و تقاضاهای مختلف، پارامترهای فوق تأثیرات متفاوتی بر خطاهای سیستماتیک خواهند داشت.

پارامترهای زیادی برای تقویت‌کننده‌های عملیاتی وجود دارد. برای انواع مختلف سیگنال، پارامترهای اصلی ایجادکننده خطاهای سیستماتیک را می‌توان بر روی سیگنال‌های DC و AC متمرکز کرد: سیگنال‌های متغیر DC ولتاژ آفست ورودی Vos، رانش دمای Vos، جریان آفست ورودی Ios، جریان بایاس ورودی Ib، امپدانس ورودی، نویز (نویز ولتاژ ورودی، نویز جریان ورودی، نویز حرارتی بهره طراحی)، نسبت حذف منبع تغذیه (PSRR)، نسبت حذف حالت مشترک (CMRR). سیگنال تغییرات AC: علاوه بر پارامترهای فوق، موارد زیر نیز باید در نظر گرفته شوند: ظرفیت خازنی ورودی، بهره حلقه باز (AoL)، حاصلضرب بهره در پهنای باند (GBW)، نرخ چرخش (SR)، زمان برقراری و اعوجاج هارمونیکی کل.