Cómo reducir el ruido de los fotodetectores

Cómo reducir el ruido de los fotodetectores

El ruido de los fotodetectores incluye principalmente: ruido de corriente, ruido térmico, ruido de disparo, ruido 1/f y ruido de banda ancha, entre otros. Esta clasificación es solo aproximada. En esta ocasión, presentaremos características y clasificaciones de ruido más detalladas para ayudar a comprender mejor el impacto de los distintos tipos de ruido en las señales de salida de los fotodetectores. Solo comprendiendo las fuentes de ruido podremos reducir y mejorar el ruido de los fotodetectores, optimizando así la relación señal-ruido del sistema.

El ruido de disparo es una fluctuación aleatoria causada por la naturaleza discreta de los portadores de carga. Especialmente en el efecto fotoeléctrico, cuando los fotones inciden en componentes fotosensibles para generar electrones, la generación de estos es aleatoria y se ajusta a la distribución de Poisson. Las características espectrales del ruido de disparo son planas e independientes de la magnitud de la frecuencia, por lo que también se denomina ruido blanco. Descripción matemática: El valor cuadrático medio (RMS) del ruido de disparo se puede expresar como:

Entre ellos:

e: Carga electrónica (aproximadamente 1,6 × 10-19 culombios)

Idark: Corriente oscura

Δf: Ancho de banda

El ruido de disparo es proporcional a la magnitud de la corriente y es estable en todas las frecuencias. En la fórmula, Idark representa la corriente oscura del fotodiodo. Es decir, en ausencia de luz, el fotodiodo presenta un ruido de corriente oscura no deseado. Como ruido inherente en la parte frontal del fotodetector, cuanto mayor sea la corriente oscura, mayor será el ruido del fotodetector. La corriente oscura también se ve afectada por la tensión de polarización del fotodiodo; es decir, cuanto mayor sea la tensión de polarización, mayor será la corriente oscura. Sin embargo, la tensión de polarización también afecta la capacitancia de la unión del fotodetector, lo que influye en la velocidad y el ancho de banda del mismo. Además, cuanto mayor sea la tensión de polarización, mayor será la velocidad y el ancho de banda. Por lo tanto, en términos del rendimiento del ruido de disparo, la corriente oscura y el ancho de banda de los fotodiodos, se debe realizar un diseño razonable de acuerdo con los requisitos reales del proyecto.

2. 1/f Ruido de parpadeo

El ruido 1/f, también conocido como ruido de parpadeo, se produce principalmente en el rango de baja frecuencia y está relacionado con factores como defectos del material o la limpieza de la superficie. Su diagrama característico espectral muestra que su densidad espectral de potencia es significativamente menor en el rango de alta frecuencia que en el de baja frecuencia, y por cada 100 veces que aumenta la frecuencia, la densidad espectral del ruido disminuye linealmente en 10 veces. La densidad espectral de potencia del ruido 1/f es inversamente proporcional a la frecuencia, es decir:

Entre ellos:

SI(f): Densidad espectral de potencia de ruido

I: Actual

f: Frecuencia

El ruido 1/f es significativo en el rango de baja frecuencia y se debilita a medida que aumenta. Esta característica lo convierte en una fuente importante de interferencia en aplicaciones de baja frecuencia. El ruido 1/f y el ruido de banda ancha provienen principalmente del ruido de tensión del amplificador operacional dentro del fotodetector. Existen muchas otras fuentes de ruido que afectan al ruido de los fotodetectores, como el ruido de la fuente de alimentación de los amplificadores operacionales, el ruido de corriente y el ruido térmico de la red de resistencias en la ganancia de los circuitos de los amplificadores operacionales.

3. Ruido de voltaje y corriente del amplificador operacional: Las densidades espectrales de voltaje y corriente se muestran en la siguiente figura:

En los circuitos amplificadores operacionales, el ruido de corriente se divide en ruido de corriente en fase y ruido de corriente inversora. El ruido de corriente en fase i+ fluye a través de la resistencia interna de la fuente Rs, generando un ruido de voltaje equivalente u1= i+*Rs. El ruido de corriente inversora I- fluye a través de la resistencia equivalente de ganancia R para generar un ruido de voltaje equivalente u2= I-* R. Entonces, cuando la RS de la fuente de alimentación es grande, el ruido de voltaje convertido del ruido de corriente también es muy grande. Por lo tanto, para optimizar para un mejor ruido, el ruido de la fuente de alimentación (incluyendo la resistencia interna) también es una dirección clave para la optimización. La densidad espectral del ruido de corriente tampoco cambia con las variaciones de frecuencia. Por lo tanto, después de ser amplificado por el circuito, este, como la corriente oscura del fotodiodo, forma integralmente el ruido de disparo del fotodetector.

4. El ruido térmico de la red de resistencia para la ganancia (factor de amplificación) del circuito amplificador operacional se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

Entre ellos:

k: constante de Boltzmann (1,38 × 10-23J/K)

T: Temperatura absoluta (K)

R: El ruido térmico de resistencia (ohmios) está relacionado con la temperatura y el valor de la resistencia, y su espectro es plano. La fórmula muestra que cuanto mayor sea el valor de la resistencia de ganancia, mayor será el ruido térmico. Cuanto mayor sea el ancho de banda, mayor será también el ruido térmico. Por lo tanto, para garantizar que el valor de la resistencia y el ancho de banda cumplan con los requisitos de ganancia y ancho de banda, y que, en última instancia, también exijan una baja relación señal-ruido o una alta relación señal-ruido, la selección de resistencias de ganancia debe considerarse y evaluarse cuidadosamente en función de los requisitos reales del proyecto para lograr la relación señal-ruido ideal del sistema.

Resumen

La tecnología de mejora del ruido desempeña un papel fundamental en la optimización del rendimiento de los fotodetectores y dispositivos electrónicos. Alta precisión implica bajo nivel de ruido. A medida que la tecnología exige mayor precisión, los requisitos de ruido, relación señal-ruido y potencia de ruido equivalente de los fotodetectores también son cada vez mayores.