كيفية تقليل ضوضاء أجهزة الكشف الضوئية

كيفية تقليل ضوضاء أجهزة الكشف الضوئية

تشمل ضوضاء الكاشفات الضوئية بشكل رئيسي: ضوضاء التيار، والضوضاء الحرارية، وضوضاء اللقطة، وضوضاء 1/f، وضوضاء النطاق العريض، وغيرها. هذا التصنيف تقريبي نسبيًا. سنقدم هذه المرة خصائص وتصنيفات أكثر تفصيلًا للضوضاء لمساعدة الجميع على فهم تأثير أنواع الضوضاء المختلفة على إشارات خرج الكاشفات الضوئية بشكل أفضل. فقط من خلال فهم مصادر الضوضاء، يمكننا تقليل ضوضاء الكاشفات الضوئية وتحسينها بشكل أفضل، وبالتالي تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء في النظام.

ضوضاء الطلقات هي تقلب عشوائي ناتج عن الطبيعة المنفصلة لحاملات الشحنة. وخاصةً في التأثير الكهروضوئي، عندما تصطدم الفوتونات بالمكونات الحساسة للضوء لتوليد الإلكترونات، يكون توليد هذه الإلكترونات عشوائيًا ويتوافق مع توزيع بواسون. تتميز ضوضاء الطلقات بخصائصها الطيفية المسطحة والمستقلة عن مقدار التردد، ولذلك تُسمى أيضًا بالضوضاء البيضاء. الوصف الرياضي: يمكن التعبير عن قيمة جذر متوسط ​​التربيع (RMS) لضوضاء الطلقات على النحو التالي:

فيما بينها:

هـ: الشحنة الإلكترونية (حوالي 1.6 × 10-19 كولومب)

Idark: التيار المظلم

Δf: عرض النطاق الترددي

ضوضاء اللقطة تتناسب طرديًا مع مقدار التيار وتكون مستقرة عند جميع الترددات. في الصيغة، يمثل Idark التيار المظلم للثنائي الضوئي. أي أنه في حالة عدم وجود ضوء، يكون للثنائي الضوئي ضوضاء تيار مظلم غير مرغوب فيها. ونظرًا للضوضاء المتأصلة في الطرف الأمامي للكاشف الضوئي، فكلما زاد التيار المظلم، زاد ضوضاء الكاشف الضوئي. ويتأثر التيار المظلم أيضًا بجهد التشغيل الانحياز للثنائي الضوئي، أي كلما زاد جهد التشغيل الانحياز، زاد التيار المظلم. ومع ذلك، يؤثر جهد التشغيل الانحياز أيضًا على سعة الوصلة للكاشف الضوئي، مما يؤثر على سرعة وعرض نطاقه. علاوة على ذلك، كلما زاد جهد الانحياز، زادت السرعة وعرض النطاق. لذلك، فيما يتعلق بأداء ضوضاء اللقطة والتيار المظلم وعرض النطاق للثنائيات الضوئية، يجب إجراء تصميم معقول وفقًا لمتطلبات المشروع الفعلية.

2. 1/f ضوضاء الوميض

ضوضاء 1/f، المعروفة أيضًا باسم ضوضاء الوميض، تحدث بشكل رئيسي في نطاق الترددات المنخفضة، وترتبط بعوامل مثل عيوب المواد أو نظافة السطح. من مخطط خصائصها الطيفية، يُلاحظ أن كثافة طيف قدرتها أقل بكثير في نطاق الترددات العالية منها في نطاق الترددات المنخفضة، وأن كل زيادة في التردد بمقدار 100 مرة، تتناقص كثافة طيف قدرتها خطيًا بمقدار 10 مرات. تتناسب كثافة طيف قدرة ضوضاء 1/f عكسيًا مع التردد، أي:

فيما بينها:

SI(f): كثافة طيف طاقة الضوضاء

أنا: الحالي

f: التردد

تكون ضوضاء 1/f كبيرة في نطاق الترددات المنخفضة، وتضعف مع زيادة التردد. هذه الخاصية تجعلها مصدرًا رئيسيًا للتداخل في تطبيقات الترددات المنخفضة. تنشأ ضوضاء 1/f وضوضاء النطاق العريض بشكل رئيسي من ضوضاء جهد المضخم التشغيلي داخل الكاشف الضوئي. هناك العديد من مصادر الضوضاء الأخرى التي تؤثر على ضوضاء الكواشف الضوئية، مثل ضوضاء مصدر الطاقة للمضخمات التشغيلية، وضوضاء التيار، والضوضاء الحرارية لشبكة المقاومة في كسب دوائر المضخم التشغيلي.

3. ضوضاء الجهد والتيار للمضخم التشغيلي: تظهر كثافات الطيف للجهد والتيار في الشكل التالي:

في دوائر مكبر التشغيل، يُقسّم ضوضاء التيار إلى ضوضاء تيار متزامنة الطور وضوضاء تيار عاكس. تتدفق ضوضاء التيار المتزامنة الطور i+ عبر المقاومة الداخلية للمصدر Rs، مولدةً ضوضاء جهد مكافئة u1= i+*Rs. تتدفق ضوضاء التيار العاكس I- عبر المقاومة المكافئة للكسب R لتوليد ضوضاء جهد مكافئة u2= I-* R. لذا، عندما تكون RS لمصدر الطاقة كبيرة، تكون ضوضاء الجهد المُحوَّلة من ضوضاء التيار كبيرة جدًا أيضًا. لذلك، لتحسين الضوضاء بشكل أفضل، تُعد ضوضاء مصدر الطاقة (بما في ذلك المقاومة الداخلية) أيضًا اتجاهًا رئيسيًا للتحسين. لا تتغير الكثافة الطيفية لضوضاء التيار مع تغيرات التردد أيضًا. لذلك، بعد تضخيمها بواسطة الدائرة، فإنها، مثل التيار المظلم للثنائي الضوئي، تُشكل بشكل شامل ضوضاء اللقطة لكاشف الضوء.

4. يمكن حساب الضوضاء الحرارية لشبكة المقاومة لكسب (عامل التضخيم) لدائرة مكبر التشغيل باستخدام الصيغة التالية:

فيما بينها:

k: ثابت بولتزمان (1.38 × 10-23J/K)

T: درجة الحرارة المطلقة (كلفن)

ر: ترتبط الضوضاء الحرارية للمقاومة (أوم) بدرجة الحرارة وقيمة المقاومة، وطيفها متساوٍ. يتضح من الصيغة أنه كلما زادت قيمة مقاومة الكسب، زادت الضوضاء الحرارية. وكلما زاد عرض النطاق الترددي، زادت الضوضاء الحرارية أيضًا. لذلك، لضمان تلبية قيمة المقاومة وعرض النطاق الترددي لمتطلبات الكسب وعرض النطاق الترددي، وتحقيق نسبة ضوضاء منخفضة أو عالية، يجب دراسة اختيار مقاومات الكسب وتقييمها بعناية بناءً على متطلبات المشروع الفعلية لتحقيق نسبة الإشارة إلى الضوضاء المثالية للنظام.

ملخص

تلعب تقنية تحسين الضوضاء دورًا هامًا في تحسين أداء أجهزة الكشف الضوئية والأجهزة الإلكترونية. فالدقة العالية تعني انخفاض مستوى الضوضاء. ومع ازدياد متطلبات الدقة العالية، تتزايد متطلبات أجهزة الكشف الضوئية من حيث الضوضاء، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء، وقوة الضوضاء المكافئة.