Come ridurre il rumore dei fotorivelatori

Come ridurre il rumore dei fotorivelatori

Il rumore dei fotorivelatori comprende principalmente: rumore di corrente, rumore termico, rumore di shot, rumore 1/f e rumore a banda larga, ecc. Questa classificazione è solo approssimativa. In questa sede, 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 fotorivelatori. Solo comprendendo le fonti di rumore possiamo ridurre e migliorare il rumore dei fotorivelatori, ottimizzando così il rapporto segnale/rumore del sistema.

Il rumore di shot è una fluttuazione casuale causata dalla natura discreta dei portatori di carica. In particolare, nell'effetto fotoelettrico, quando i fotoni colpiscono i componenti fotosensibili generando elettroni, la generazione di questi elettroni è casuale e segue la distribuzione di Poisson. Le caratteristiche spettrali del rumore di shot sono piatte e indipendenti dall'ampiezza della frequenza, per questo viene anche chiamato rumore bianco. Descrizione matematica: Il valore quadratico medio (RMS) del rumore di 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'ampiezza della corrente ed è stabile a tutte le frequenze. Nella formula, Idark rappresenta la corrente di buio del fotodiodo. Ovvero, in assenza di luce, il fotodiodo presenta un rumore di corrente di buio indesiderato. Essendo il rumore intrinseco presente all'ingresso del fotorivelatore, maggiore è la corrente di buio, maggiore sarà il rumore del fotorivelatore. La corrente di buio è influenzata anche dalla tensione di polarizzazione del fotodiodo, ovvero, maggiore è la tensione di polarizzazione, maggiore sarà la corrente di buio. Tuttavia, la tensione di polarizzazione influisce anche sulla capacità di giunzione del fotorivelatore, influenzando di conseguenza la velocità e la larghezza di banda del fotorivelatore. Inoltre, maggiore è la tensione di polarizzazione, maggiori saranno 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 effettuare una progettazione accurata in base ai requisiti specifici del progetto.

2. Rumore di sfarfallio 1/f

Il rumore 1/f, noto anche come rumore flicker, si manifesta principalmente nella gamma delle basse frequenze ed è correlato a fattori quali difetti del materiale o pulizia della superficie. Dal suo diagramma delle caratteristiche spettrali, si può osservare che la sua densità spettrale di potenza è significativamente inferiore nella gamma delle alte frequenze rispetto alla gamma 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

I: Corrente

f: Frequenza

Il rumore 1/f è significativo nella gamma 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 derivano principalmente dal rumore di tensione dell'amplificatore operazionale all'interno del fotorivelatore. Esistono molte altre fonti di rumore che influenzano il rumore dei fotorivelatori, come il rumore di alimentazione degli amplificatori operazionali, il rumore di corrente e il rumore termico della rete di resistenze 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 con 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+ scorre attraverso la resistenza interna della sorgente Rs, generando un rumore di tensione equivalente u1 = i+ * Rs. Il rumore di corrente invertente i- scorre attraverso la resistenza equivalente di guadagno R per generare un rumore di tensione equivalente u2 = i- * R. Pertanto, quando la RS dell'alimentatore è elevata, anche il rumore di tensione derivante dal rumore di corrente è molto elevato. Di conseguenza, per ottimizzare il rumore, anche il rumore dell'alimentatore (inclusa la resistenza interna) rappresenta un aspetto fondamentale da ottimizzare. La densità spettrale del rumore di corrente non varia con la frequenza. Pertanto, dopo essere stato amplificato dal circuito, esso, come la corrente di buio del fotodiodo, contribuisce in modo determinante alla formazione del rumore di shot del fotorivelatore.

4. Il rumore termico della rete resistiva 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 × 10⁻²³ J/K)

T: Temperatura assoluta (K)

R: Resistenza (ohm) Il rumore termico è correlato alla temperatura e al valore della resistenza, e il suo spettro è piatto. Dalla formula si può notare che maggiore è il valore della 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 della resistenza e il valore della larghezza di banda soddisfino sia i requisiti di guadagno che quelli di larghezza di banda, e in definitiva anche i requisiti di basso rumore o 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 riduzione del rumore gioca un ruolo significativo nel migliorare le prestazioni dei fotorivelatori e dei dispositivi elettronici. Alta precisione significa basso rumore. Poiché la tecnologia richiede una precisione sempre maggiore, anche i requisiti relativi al rumore, al rapporto segnale/rumore e alla potenza equivalente di rumore dei fotorivelatori diventano sempre più stringenti.