چگونه نویز آشکارسازهای نوری را کاهش دهیم

چگونه نویز آشکارسازهای نوری را کاهش دهیم

نویز آشکارسازهای نوری عمدتاً شامل موارد زیر است: نویز جریان، نویز حرارتی، نویز شات، نویز 1/f و نویز پهنای باند و غیره. این طبقه‌بندی فقط یک طبقه‌بندی نسبتاً تقریبی است. این بار، ویژگی‌ها و طبقه‌بندی‌های نویز دقیق‌تری را معرفی خواهیم کرد تا به همه کمک کنیم تا تأثیر انواع مختلف نویز را بر سیگنال‌های خروجی آشکارسازهای نوری بهتر درک کنند. تنها با درک منابع نویز می‌توانیم نویز آشکارسازهای نوری را بهتر کاهش داده و بهبود بخشیم و در نتیجه نسبت سیگنال به نویز سیستم را بهینه کنیم.

نویز شات یک نوسان تصادفی است که به دلیل ماهیت گسسته حامل‌های بار ایجاد می‌شود. به خصوص در اثر فوتوالکتریک، هنگامی که فوتون‌ها برای تولید الکترون به اجزای حساس به نور برخورد می‌کنند، تولید این الکترون‌ها تصادفی است و از توزیع پواسون پیروی می‌کند. ویژگی‌های طیفی نویز شات مسطح و مستقل از بزرگی فرکانس است و بنابراین به آن نویز سفید نیز گفته می‌شود. توصیف ریاضی: مقدار جذر میانگین مربعات (RMS) نویز شات را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

در میان آنها:

e: بار الکترونیکی (تقریباً 1.6 × 10-19 کولن)

ایدارک: جریان تاریک

Δf: پهنای باند

نویز ضربه‌ای متناسب با بزرگی جریان است و در همه فرکانس‌ها پایدار است. در فرمول، Idark جریان تاریک فوتودیود را نشان می‌دهد. یعنی در غیاب نور، فوتودیود دارای نویز جریان تاریک ناخواسته است. از آنجایی که نویز ذاتی در انتهای جلویی فوتودتکتور است، هرچه جریان تاریک بزرگتر باشد، نویز فوتودتکتور نیز بیشتر است. جریان تاریک همچنین تحت تأثیر ولتاژ عملکرد بایاس فوتودتکتور قرار می‌گیرد، یعنی هرچه ولتاژ عملکرد بایاس بزرگتر باشد، جریان تاریک بیشتر است. با این حال، ولتاژ عملکرد بایاس همچنین بر ظرفیت اتصال فوتودتکتور تأثیر می‌گذارد و در نتیجه بر سرعت و پهنای باند فوتودتکتور تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، هرچه ولتاژ بایاس بیشتر باشد، سرعت و پهنای باند نیز بیشتر است. بنابراین، از نظر نویز ضربه‌ای، جریان تاریک و عملکرد پهنای باند فوتودیتکتورها، باید طراحی معقولی مطابق با الزامات واقعی پروژه انجام شود.

۲. نویز سوسو زدن ۱/f

نویز 1/f که به عنوان نویز فلیکر نیز شناخته می‌شود، عمدتاً در محدوده فرکانس پایین رخ می‌دهد و به عواملی مانند نقص مواد یا تمیزی سطح مربوط می‌شود. از نمودار مشخصه طیفی آن می‌توان دریافت که چگالی طیفی توان آن در محدوده فرکانس بالا به طور قابل توجهی کوچکتر از محدوده فرکانس پایین است و برای هر 100 برابر افزایش فرکانس، نویز چگالی طیفی به صورت خطی 10 برابر کاهش می‌یابد. چگالی طیفی توان نویز 1/f با فرکانس نسبت معکوس دارد، یعنی:

در میان آنها:

SI(f): چگالی طیفی توان نویز

من: فعلی

ف: فرکانس

نویز 1/f در محدوده فرکانس پایین قابل توجه است و با افزایش فرکانس ضعیف می‌شود. این ویژگی آن را به منبع اصلی تداخل در کاربردهای فرکانس پایین تبدیل می‌کند. نویز 1/f و نویز پهنای باند عمدتاً از نویز ولتاژ تقویت‌کننده عملیاتی درون آشکارساز نوری ناشی می‌شوند. منابع نویز بسیار دیگری نیز وجود دارند که بر نویز آشکارسازهای نوری تأثیر می‌گذارند، مانند نویز منبع تغذیه تقویت‌کننده‌های عملیاتی، نویز جریان و نویز حرارتی شبکه مقاومتی در بهره مدارهای تقویت‌کننده عملیاتی.

۳. نویز ولتاژ و جریان تقویت‌کننده عملیاتی: چگالی طیفی ولتاژ و جریان در شکل زیر نشان داده شده است:

در مدارهای تقویت‌کننده عملیاتی، نویز جریان به نویز جریان هم فاز و نویز جریان معکوس تقسیم می‌شود. نویز جریان هم فاز i+ از مقاومت داخلی منبع Rs عبور می‌کند و نویز ولتاژ معادل u1= i+*Rs را تولید می‌کند. نویز جریان معکوس I- از مقاومت معادل بهره R عبور می‌کند تا نویز ولتاژ معادل u2= I-*R را تولید کند. بنابراین، هنگامی که RS منبع تغذیه بزرگ باشد، نویز ولتاژ تبدیل شده از نویز جریان نیز بسیار بزرگ است. بنابراین، برای بهینه‌سازی نویز بهتر، نویز منبع تغذیه (شامل مقاومت داخلی) نیز یک جهت کلیدی برای بهینه‌سازی است. چگالی طیفی نویز جریان نیز با تغییرات فرکانس تغییر نمی‌کند. بنابراین، پس از تقویت توسط مدار، مانند جریان تاریک فوتودیود، به طور جامع نویز شات آشکارساز نوری را تشکیل می‌دهد.

۴. نویز حرارتی شبکه مقاومت برای بهره (ضریب تقویت) مدار تقویت‌کننده عملیاتی را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

در میان آنها:

k: ثابت بولتزمن (1.38 × 10-23J/K)

T: دمای مطلق (K)

R: نویز حرارتی مقاومتی (اهم) به دما و مقدار مقاومت مربوط می‌شود و طیف آن مسطح است. از فرمول می‌توان دریافت که هرچه مقدار مقاومت بهره بزرگتر باشد، نویز حرارتی نیز بیشتر خواهد بود. هرچه پهنای باند بزرگتر باشد، نویز حرارتی نیز بیشتر خواهد بود. بنابراین، برای اطمینان از اینکه مقدار مقاومت و مقدار پهنای باند، هم الزامات بهره و هم الزامات پهنای باند را برآورده می‌کنند و در نهایت نویز کم یا نسبت سیگنال به نویز بالا نیز مورد نیاز است، انتخاب مقاومت‌های بهره باید با دقت بررسی و بر اساس الزامات واقعی پروژه ارزیابی شود تا نسبت سیگنال به نویز ایده‌آل سیستم حاصل شود.

خلاصه

فناوری بهبود نویز نقش مهمی در افزایش عملکرد آشکارسازهای نوری و دستگاه‌های الکترونیکی ایفا می‌کند. دقت بالا به معنای نویز کم است. از آنجایی که فناوری به دقت بالاتری نیاز دارد، الزامات مربوط به نویز، نسبت سیگنال به نویز و توان معادل نویز آشکارسازهای نوری نیز بیشتر و بیشتر می‌شود.