Kuinka vähentää valoilmaisimien kohinaa

Kuinka vähentää valoilmaisimien kohinaa

Valoilmaisimien kohinaan kuuluvat pääasiassa: virtakohina, lämpökohina, laukauskohina, 1/f-kohina ja laajakaistakohina jne. Tämä luokittelu on vain suhteellisen karkea. Tällä kertaa esittelemme yksityiskohtaisempia kohinaominaisuuksia ja -luokituksia, jotta kaikki ymmärtäisivät paremmin erityyppisten häiriöiden vaikutusta valoilmaisimien lähtösignaaleihin. Vain ymmärtämällä häiriöiden lähteet voimme paremmin vähentää ja parantaa valoilmaisimien kohinaa ja siten optimoida järjestelmän signaali-kohinasuhteen.

Laukauskohina on satunnainen vaihtelu, joka johtuu varauksenkuljettajien diskreetistä luonteesta. Erityisesti valosähköisessä ilmiössä, kun fotonit osuvat valoherkkiin komponentteihin tuottaakseen elektroneja, näiden elektronien syntyminen on satunnaista ja noudattaa Poisson-jakaumaa. Laukauskohinan spektraaliset ominaisuudet ovat tasaiset ja riippumattomat taajuuden suuruudesta, ja siksi sitä kutsutaan myös valkoiseksi kohinaksi. Matemaattinen kuvaus: Laukauskohinan neliöllinen keskiarvo (RMS) voidaan ilmaista seuraavasti:

Heidän joukossaan:

e: Elektroninen varaus (noin 1,6 × 10⁻¹⁹ coulombia)

Idark: Pimeä virta

Δf: Kaistanleveys

Laukauskohina on verrannollinen virran suuruuteen ja on vakaa kaikilla taajuuksilla. Kaavassa Idark edustaa fotodiodin pimeävirtaa. Toisin sanoen, valon puuttuessa fotodiodilla on ei-toivottua pimeävirtakohinaa. Koska fotodetektorin etupäässä on luonnostaan ​​kohinaa, mitä suurempi pimeävirta on, sitä suurempi on fotodetektorin kohina. Pimeävirtaan vaikuttaa myös fotodiodin esijännite, eli mitä suurempi esijännite on, sitä suurempi on pimeävirta. Esijännite vaikuttaa kuitenkin myös fotodetektorin liitoskapasitanssiin, mikä vaikuttaa fotodetektorin nopeuteen ja kaistanleveyteen. Lisäksi mitä suurempi esijännite on, sitä suurempi on nopeus ja kaistanleveys. Siksi fotodiodien laukauskohinan, pimeävirran ja kaistanleveyden suorituskyvyn kannalta järkevä suunnittelu tulisi suorittaa todellisten projektivaatimusten mukaisesti.

2. 1/f Välkkymiskohina

1/f-kohina, joka tunnetaan myös nimellä välkkymiskohina, esiintyy pääasiassa matalataajuisella alueella ja liittyy tekijöihin, kuten materiaalivirheisiin tai pinnan puhtauteen. Sen spektraalisesta ominaiskäyräkaaviosta voidaan nähdä, että sen tehospektritiheys on huomattavasti pienempi korkeataajuisella alueella kuin matalataajuisella alueella, ja jokaista 100-kertaista taajuuden kasvua kohden spektritiheyskohina pienenee lineaarisesti 10-kertaisesti. 1/f-kohinan tehospektritiheys on kääntäen verrannollinen taajuuteen eli:

Heidän joukossaan:

SI(f): Kohinan tehospektritiheys

Minä: Nykyinen

f: Taajuus

1/f-kohina on merkittävää matalataajuusalueella ja heikkenee taajuuden kasvaessa. Tämä ominaisuus tekee siitä merkittävän häiriölähteen matalataajuussovelluksissa. 1/f-kohina ja laajakaistainen kohina tulevat pääasiassa valoilmaisimen sisällä olevan operaatiovahvistimen jännitekohinasta. Valoilmaisimien kohinaan vaikuttavat monet muutkin kohinalähteet, kuten operaatiovahvistimien virtalähteen kohina, virtakohina ja operaatiovahvistinpiirien vahvistuksen vastusverkon lämpökohina.

3. Operaatiovahvistimen jännite- ja virtakohina: Jännite- ja virtaspektritiheydet on esitetty seuraavassa kuvassa:

Operaatiovahvistinpiireissä virtakohina jaetaan vaiheen sisäiseen virtakohinaan ja invertoivaan virtakohinaan. Vaiheen sisäinen virtakohina i+ kulkee lähteen sisäisen resistanssin Rs läpi, jolloin syntyy vastaava jännitekohina u1 = i+*Rs. I- Invertoiva virtakohina kulkee vahvistuksen ekvivalenttivastuksen R läpi, jolloin syntyy vastaava jännitekohina u2 = I-*R. Joten kun virtalähteen RS on suuri, virtakohinasta muunnettu jännitekohina on myös erittäin suuri. Siksi kohinan parantamiseksi virtalähteen kohina (mukaan lukien sisäinen resistanssi) on myös keskeinen optimointisuunta. Virtakohinan spektritiheys ei myöskään muutu taajuuden vaihteluiden mukana. Näin ollen piirin vahvistamana se, kuten fotodiodin pimeävirta, muodostaa kattavasti fotodetektorin laukauskohinan.

4. Vastusverkon lämpökohina operaatiovahvistinpiirin vahvistusta (vahvistuskerrointa) varten voidaan laskea seuraavalla kaavalla:

Heidän joukossaan:

k: Boltzmannin vakio (1,38 × 10⁻²⁸J/K)

T: Absoluuttinen lämpötila (K)

R: Resistanssi (ohmia) Lämpökohina liittyy lämpötilaan ja resistanssin arvoon, ja sen spektri on tasainen. Kaavasta voidaan nähdä, että mitä suurempi vahvistusresistanssin arvo on, sitä suurempi on lämpökohina. Mitä suurempi kaistanleveys on, sitä suurempi on myös lämpökohina. Siksi, jotta resistanssin arvo ja kaistanleveys täyttävät sekä vahvistus- että kaistanleveysvaatimukset ja lopulta vaativat myös alhaista kohinaa tai korkeaa signaali-kohinasuhdetta, vahvistusvastusten valinta on harkittava ja arvioitava huolellisesti projektin todellisten vaatimusten perusteella, jotta saavutetaan järjestelmän ihanteellinen signaali-kohinasuhde.

Yhteenveto

Kohinanparannustekniikalla on merkittävä rooli valoilmaisimien ja elektronisten laitteiden suorituskyvyn parantamisessa. Suuri tarkkuus tarkoittaa vähäistä kohinaa. Teknologian vaatiessa suurempaa tarkkuutta, myös valoilmaisimien kohinalle, signaali-kohinasuhteelle ja vastaavalle kohinateholle asetetut vaatimukset kasvavat jatkuvasti.