كيفية تقليل ضوضاء أجهزة الكشف الضوئي

كيفية تقليل ضوضاء أجهزة الكشف الضوئي

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

الضوضاء الناتجة عن إطلاق الإلكترونات هي تذبذب عشوائي ناتج عن الطبيعة المنفصلة لحاملات الشحنة. في التأثير الكهروضوئي تحديدًا، عندما تصطدم الفوتونات بالمكونات الحساسة للضوء لتوليد الإلكترونات، يكون توليد هذه الإلكترونات عشوائيًا ويخضع لتوزيع بواسون. تتميز الخصائص الطيفية للضوضاء الناتجة عن إطلاق الإلكترونات بأنها مسطحة ولا تعتمد على مقدار التردد، ولذلك تُسمى أيضًا بالضوضاء البيضاء. الوصف الرياضي: يمكن التعبير عن قيمة الجذر التربيعي المتوسط ​​(RMS) للضوضاء الناتجة عن إطلاق الإلكترونات كما يلي:

فيما بينها:

e: الشحنة الإلكترونية (حوالي 1.6 × 10-19 كولوم)

التيار المظلم: التيار المظلم

Δf: عرض النطاق الترددي

يتناسب ضجيج الطلقات طرديًا مع شدة التيار، وهو ثابت عند جميع الترددات. في المعادلة، يُمثل Idark تيار الظلام للثنائي الضوئي. أي أنه في غياب الضوء، يُصدر الثنائي الضوئي ضجيج تيار الظلام غير المرغوب فيه. وبما أنه ضجيج متأصل في الطرف الأمامي للكاشف الضوئي، فكلما زاد تيار الظلام، زاد ضجيج الكاشف الضوئي. كما يتأثر تيار الظلام بجهد التشغيل الانحيازي للثنائي الضوئي، أي كلما زاد جهد التشغيل الانحيازي، زاد تيار الظلام. ومع ذلك، يؤثر جهد التشغيل الانحيازي أيضًا على سعة وصلة الكاشف الضوئي، مما يؤثر بالتالي على سرعته وعرض نطاقه. علاوة على ذلك، كلما زاد جهد التشغيل الانحيازي، زادت السرعة وعرض النطاق. لذلك، فيما يتعلق بأداء ضجيج الطلقات وتيار الظلام وعرض النطاق للثنائيات الضوئية، يجب تصميمها بشكل مناسب وفقًا لمتطلبات المشروع الفعلية.

2. ضوضاء الوميض 1/f

تحدث ضوضاء 1/f، المعروفة أيضًا بضوضاء الوميض، بشكل رئيسي في نطاق الترددات المنخفضة، وترتبط بعوامل مثل عيوب المواد أو نظافة السطح. من خلال مخطط خصائصها الطيفية، يتضح أن كثافة طيف قدرتها أقل بكثير في نطاق الترددات العالية مقارنةً بنطاق الترددات المنخفضة، وأنه مع كل زيادة قدرها 100 ضعف في التردد، تنخفض كثافة طيف الضوضاء خطيًا بمقدار 10 أضعاف. تتناسب كثافة طيف قدرة ضوضاء 1/f عكسيًا مع التردد، أي:

فيما بينها:

SI(f) : كثافة القدرة الطيفية للضوضاء

أنا: الحالي

f: التردد

يُعدّ ضجيج 1/f ذا أهمية في نطاق الترددات المنخفضة، ويضعف مع ازدياد التردد. هذه الخاصية تجعله مصدرًا رئيسيًا للتداخل في تطبيقات الترددات المنخفضة. ينشأ ضجيج 1/f وضجيج النطاق العريض بشكل أساسي من ضجيج الجهد في مضخم العمليات داخل الكاشف الضوئي. وهناك العديد من مصادر الضجيج الأخرى التي تؤثر على ضجيج الكواشف الضوئية، مثل ضجيج مصدر الطاقة لمضخمات العمليات، وضجيج التيار، والضجيج الحراري لشبكة المقاومة في دوائر كسب مضخم العمليات.

3. ضوضاء الجهد والتيار لمضخم العمليات: تظهر كثافات الطيف للجهد والتيار في الشكل التالي:

في دوائر مكبرات العمليات، يُقسّم ضجيج التيار إلى ضجيج تيار متوافق الطور وضجيج تيار عاكس. يمر ضجيج التيار المتوافق الطور i+ عبر المقاومة الداخلية للمصدر Rs، مُولّدًا ضجيج جهد مكافئ u1 = i+ * Rs. أما ضجيج التيار العاكس I- فيمر عبر المقاومة المكافئة للكسب R، مُولّدًا ضجيج جهد مكافئ u2 = I- * R. لذا، عندما تكون قيمة RS لمصدر الطاقة كبيرة، يكون ضجيج الجهد الناتج عن ضجيج التيار كبيرًا جدًا أيضًا. لذلك، لتحسين مستوى الضجيج، يُعدّ ضجيج مصدر الطاقة (بما في ذلك المقاومة الداخلية) اتجاهًا رئيسيًا للتحسين. كما أن الكثافة الطيفية لضجيج التيار لا تتغير بتغيرات التردد. وبالتالي، بعد تضخيمه بواسطة الدائرة، فإنه، مثل تيار الظلام في الثنائي الضوئي، يُشكّل بشكل شامل ضجيج الطلقة في الكاشف الضوئي.

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

فيما بينها:

k: ثابت بولتزمان (1.38 × 10-23 جول/كلفن)

T: درجة الحرارة المطلقة (كلفن)

R: المقاومة (أوم). يرتبط الضجيج الحراري بدرجة الحرارة وقيمة المقاومة، وطيفه مسطح. يتضح من الصيغة أنه كلما زادت قيمة مقاومة الكسب، زاد الضجيج الحراري. وكلما زاد عرض النطاق الترددي، زاد الضجيج الحراري أيضًا. لذلك، ولضمان أن قيمة المقاومة وعرض النطاق الترددي تلبي متطلبات الكسب وعرض النطاق الترددي، وبالتالي تحقيق نسبة إشارة إلى 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 تقنيات تحسين الضوضاء دورًا هامًا في تعزيز أداء أجهزة الكشف الضوئي والأجهزة الإلكترونية. فالدقة العالية تعني ضوضاء منخفضة. ومع ازدياد متطلبات الدقة في التكنولوجيا، تتزايد أيضًا متطلبات الضوضاء ونسبة الإشارة إلى الضوضاء وقدرة الضوضاء المكافئة لأجهزة الكشف الضوئي.