Come ridurre il rumore dei fotodetector

Come ridurre il rumore dei fotodetector

Il rumore dei fotodiodo include principalmente: rumore di corrente, rumore termico, rumore shot, rumore 1/f e rumore a banda larga, ecc. Questa classificazione è solo relativamente approssimativa. Questa volta, introdurremo caratteristiche e classificazioni del rumore più dettagliate per aiutare tutti a comprendere meglio l'impatto dei vari tipi di rumore sui segnali di uscita dei fotodiodo. Solo comprendendo le fonti di rumore possiamo ridurre e migliorare il rumore dei fotodiodo, ottimizzando così il rapporto segnale/rumore del sistema.

Il rumore shot è una fluttuazione casuale causata dalla natura discreta dei portatori di carica. Soprattutto nell'effetto fotoelettrico, quando i fotoni colpiscono componenti fotosensibili per generare elettroni, la generazione di questi elettroni è casuale e conforme alla distribuzione di Poisson. Le caratteristiche spettrali del rumore shot sono piatte e indipendenti dall'ampiezza della frequenza, e per questo motivo è anche chiamato rumore bianco. Descrizione matematica: il valore quadratico medio (RMS) del rumore shot può essere espresso come:

Tra loro:

e: Carica elettronica (circa 1,6 × 10-19 coulomb)

Idark: Corrente oscura

Δf: Larghezza di banda

Il rumore di shot è proporzionale all'intensità della corrente ed è stabile a tutte le frequenze. Nella formula, Idark rappresenta la corrente di buio del fotodiodo. In altre parole, in assenza di luce, il fotodiodo presenta un rumore di corrente di buio indesiderato. Essendo il rumore intrinseco all'estremità anteriore del fotodiodo, maggiore è la corrente di buio, maggiore è il rumore del fotodiodo. La corrente di buio è anche influenzata dalla tensione di polarizzazione del fotodiodo: maggiore è la tensione di polarizzazione, maggiore è la corrente di buio. Tuttavia, la tensione di polarizzazione influisce anche sulla capacità di giunzione del fotodiodo, influenzandone di conseguenza la velocità e la larghezza di banda. Inoltre, maggiore è la tensione di polarizzazione, maggiori sono la velocità e la larghezza di banda. Pertanto, in termini di rumore di shot, corrente di buio e prestazioni di larghezza di banda dei fotodiodi, è necessario adottare una progettazione ragionevole in base ai requisiti effettivi del progetto.

2. Rumore di sfarfallio 1/f

Il rumore 1/f, noto anche come rumore flicker, si verifica principalmente nella gamma delle basse frequenze ed è correlato a fattori quali difetti dei materiali o pulizia superficiale. Dal suo diagramma spettrale caratteristico, si può osservare che la sua densità spettrale di potenza è significativamente inferiore nella gamma delle alte frequenze rispetto a quella delle basse frequenze e, per ogni aumento di 100 volte della frequenza, la densità spettrale del rumore diminuisce linearmente di 10 volte. La densità spettrale di potenza del rumore 1/f è inversamente proporzionale alla frequenza, ovvero:

Tra loro:

SI(f) : Densità spettrale di potenza del rumore

Io: Corrente

f: Frequenza

Il rumore 1/f è significativo nell'intervallo delle basse frequenze e si attenua all'aumentare della frequenza. Questa caratteristica lo rende una delle principali fonti di interferenza nelle applicazioni a bassa frequenza. Il rumore 1/f e il rumore a banda larga provengono principalmente dal rumore di tensione dell'amplificatore operazionale all'interno del fotodiodo. Esistono molte altre fonti di rumore che influenzano il rumore dei fotodiodo, come il rumore di alimentazione degli amplificatori operazionali, il rumore di corrente e il rumore termico della rete di resistenza nel guadagno dei circuiti degli amplificatori operazionali.

3. Rumore di tensione e corrente dell'amplificatore operazionale: le densità spettrali di tensione e corrente sono mostrate nella figura seguente:

Nei circuiti degli amplificatori operazionali, il rumore di corrente si divide in rumore di corrente in fase e rumore di corrente invertente. Il rumore di corrente in fase i+ attraversa la resistenza interna della sorgente Rs, generando un rumore di tensione equivalente u1 = i+*Rs. Il rumore di corrente invertente I- attraversa la resistenza equivalente di guadagno R per generare un rumore di tensione equivalente u2 = I-*R. Quindi, quando la RS dell'alimentatore è elevata, anche il rumore di tensione convertito dal rumore di corrente è molto elevato. Pertanto, per ottimizzare il rumore, anche il rumore dell'alimentatore (inclusa la resistenza interna) è un aspetto chiave per l'ottimizzazione. Anche la densità spettrale del rumore di corrente non cambia con le variazioni di frequenza. Pertanto, dopo essere stato amplificato dal circuito, esso, come la corrente di buio del fotodiodo, forma complessivamente il rumore shot del fotorilevatore.

4. Il rumore termico della rete di resistenza per il guadagno (fattore di amplificazione) del circuito dell'amplificatore operazionale può essere calcolato utilizzando la seguente formula:

Tra loro:

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

T: Temperatura assoluta (K)

R: Il rumore termico dovuto alla resistenza (ohm) è correlato alla temperatura e al valore di resistenza, e il suo spettro è piatto. Dalla formula si può osservare che maggiore è il valore di resistenza di guadagno, maggiore è il rumore termico. Maggiore è la larghezza di banda, maggiore sarà anche il rumore termico. Pertanto, per garantire che il valore di resistenza e il valore di larghezza di banda soddisfino sia i requisiti di guadagno che quelli di larghezza di banda, e in definitiva richiedano anche un basso rumore o un elevato rapporto segnale/rumore, la selezione delle resistenze di guadagno deve essere attentamente considerata e valutata in base ai requisiti effettivi del progetto per ottenere il rapporto segnale/rumore ideale del sistema.

Riepilogo

La tecnologia di miglioramento del rumore svolge un ruolo significativo nel potenziamento delle prestazioni di fotorilevatori e dispositivi elettronici. Alta precisione significa basso rumore. Poiché la tecnologia richiede una maggiore precisione, anche i requisiti di rumore, rapporto segnale/rumore e potenza di rumore equivalente dei fotorilevatori stanno diventando sempre più elevati.