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 una aproximación. En esta ocasión, presentaremos características y clasificaciones de ruido más detalladas para 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 reducirlo y mejorarlo, 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 sobre componentes fotosensibles para generar electrones, la generación de estos electrones es aleatoria y sigue una 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 le denomina ruido blanco. Descripción matemática: El valor eficaz (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, I_oscuridad representa la corriente oscura del fotodiodo. Es decir, en ausencia de luz, el fotodiodo presenta un ruido de corriente oscura no deseado. Dado que se trata de ruido inherente en la etapa de entrada 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, a mayor tensión de polarización, mayor es la corriente oscura. Sin embargo, la tensión de polarización también afecta a la capacitancia de unión del fotodetector, influyendo así en su velocidad y ancho de banda. Además, a mayor tensión de polarización, mayor es la velocidad y el ancho de banda. Por lo tanto, en términos de ruido de disparo, corriente oscura y ancho de banda, es necesario realizar un diseño adecuado de los fotodiodos según los requisitos específicos 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 bajas frecuencias y está relacionado con factores como defectos del material o la limpieza de la superficie. En su diagrama de características espectrales, se observa que su densidad espectral de potencia es significativamente menor en el rango de altas frecuencias que en el de bajas frecuencias, y que por cada aumento de 100 veces en la frecuencia, la densidad espectral de ruido disminuye linealmente en un factor de 10. 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 del ruido

Yo: Actual

f: Frecuencia

El ruido 1/f es significativo en el rango de bajas frecuencias y se atenúa al aumentar la frecuencia. Esta característica lo convierte en una importante fuente 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 tensión y corriente del amplificador operacional: Las densidades espectrales de tensión y corriente se muestran en la siguiente figura:

En los circuitos con 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 tensión 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 tensión equivalente u2 = I- * R. Por lo tanto, cuando la RS de la fuente de alimentación es alta, el ruido de tensión derivado del ruido de corriente también es muy alto. En consecuencia, para optimizar el ruido, el ruido de la fuente de alimentación (incluida la resistencia interna) es un factor clave para la optimización. La densidad espectral del ruido de corriente tampoco varía con la frecuencia. Por lo tanto, tras ser amplificado por el circuito, al igual que la corriente oscura del fotodiodo, conforma el ruido de disparo del fotodetector.

4. El ruido térmico de la red de resistencias 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 × 10-23 J/K)

T: Temperatura absoluta (K)

R: Resistencia (ohmios). El ruido térmico está relacionado con la temperatura y el valor de la resistencia, y su espectro es plano. Como se observa en la fórmula, a mayor ganancia de resistencia, mayor es el ruido térmico. Asimismo, a mayor ancho de banda, mayor será el ruido térmico. Por lo tanto, para asegurar que el valor de la resistencia y el ancho de banda cumplan con los requisitos de ganancia y ancho de banda, y que además se obtenga un bajo nivel de ruido o una alta relación señal/ruido, la selección de las resistencias de ganancia debe considerarse y evaluarse cuidadosamente en función de los requisitos específicos del proyecto para lograr la relación señal/ruido ideal del sistema.

Resumen

La tecnología de reducción de ruido desempeña un papel fundamental en la mejora del rendimiento de los fotodetectores y dispositivos electrónicos. Una alta precisión implica un 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 aumentan progresivamente.