ఫోటోడెటెక్టర్ల శబ్దాన్ని ఎలా తగ్గించాలి

ఫోటోడెటెక్టర్ల శబ్దాన్ని ఎలా తగ్గించాలి

ఫోటోడిటెక్టర్ల శబ్దంలో ప్రధానంగా ఇవి ఉంటాయి: కరెంట్ నాయిస్, థర్మల్ నాయిస్, షాట్ నాయిస్, 1/f నాయిస్ మరియు వైడ్‌బ్యాండ్ నాయిస్, మొదలైనవి. ఈ వర్గీకరణ సాపేక్షంగా కఠినమైనది. ఈసారి, ఫోటోడిటెక్టర్ల అవుట్‌పుట్ సిగ్నల్‌లపై వివిధ రకాల శబ్దం ప్రభావాన్ని అందరూ బాగా అర్థం చేసుకోవడానికి మేము మరింత వివరణాత్మక నాయిస్ లక్షణాలు మరియు వర్గీకరణలను పరిచయం చేస్తాము. శబ్దం యొక్క మూలాలను అర్థం చేసుకోవడం ద్వారా మాత్రమే మనం ఫోటోడిటెక్టర్ల శబ్దాన్ని బాగా తగ్గించి మెరుగుపరచగలము, తద్వారా సిస్టమ్ యొక్క సిగ్నల్-టు-నాయిస్ నిష్పత్తిని ఆప్టిమైజ్ చేయవచ్చు.

షాట్ శబ్దం అనేది చార్జ్ క్యారియర్‌ల వివిక్త స్వభావం వల్ల కలిగే యాదృచ్ఛిక హెచ్చుతగ్గులు. ముఖ్యంగా ఫోటోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావంలో, ఎలక్ట్రాన్‌లను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఫోటాన్లు ఫోటోసెన్సిటివ్ భాగాలను తాకినప్పుడు, ఈ ఎలక్ట్రాన్‌ల ఉత్పత్తి యాదృచ్ఛికంగా ఉంటుంది మరియు పాయిజన్ పంపిణీకి అనుగుణంగా ఉంటుంది. షాట్ శబ్దం యొక్క వర్ణపట లక్షణాలు ఫ్లాట్ మరియు ఫ్రీక్వెన్సీ పరిమాణం నుండి స్వతంత్రంగా ఉంటాయి, కాబట్టి దీనిని వైట్ నాయిస్ అని కూడా పిలుస్తారు. గణిత వివరణ: షాట్ శబ్దం యొక్క మూల సగటు చతురస్రం (RMS) విలువను ఇలా వ్యక్తీకరించవచ్చు:

వాటిలో:

e: ఎలక్ట్రానిక్ ఛార్జ్ (సుమారుగా 1.6 × 10-19 కూలంబ్‌లు)

ఐడార్క్: డార్క్ కరెంట్

Δf: బ్యాండ్‌విడ్త్

షాట్ శబ్దం కరెంట్ పరిమాణానికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది మరియు అన్ని పౌనఃపున్యాల వద్ద స్థిరంగా ఉంటుంది. ఫార్ములాలో, ఐడార్క్ ఫోటోడయోడ్ యొక్క డార్క్ కరెంట్‌ను సూచిస్తుంది. అంటే, కాంతి లేనప్పుడు, ఫోటోడయోడ్ అవాంఛిత డార్క్ కరెంట్ శబ్దాన్ని కలిగి ఉంటుంది. ఫోటోడెటెక్టర్ యొక్క ముందు భాగంలో అంతర్లీన శబ్దం వలె, డార్క్ కరెంట్ పెద్దదిగా ఉంటే, ఫోటోడెటెక్టర్ యొక్క శబ్దం ఎక్కువ. ఫోటోడయోడ్ యొక్క బయాస్ ఆపరేటింగ్ వోల్టేజ్ ద్వారా డార్క్ కరెంట్ కూడా ప్రభావితమవుతుంది, అంటే, బయాస్ ఆపరేటింగ్ వోల్టేజ్ పెద్దదిగా ఉంటే, డార్క్ కరెంట్ ఎక్కువ. అయితే, బయాస్ వర్కింగ్ వోల్టేజ్ ఫోటోడెటెక్టర్ యొక్క జంక్షన్ కెపాసిటెన్స్‌ను కూడా ప్రభావితం చేస్తుంది, తద్వారా ఫోటోడెటెక్టర్ యొక్క వేగం మరియు బ్యాండ్‌విడ్త్‌ను ప్రభావితం చేస్తుంది. అంతేకాకుండా, బయాస్ వోల్టేజ్ ఎక్కువైతే, వేగం మరియు బ్యాండ్‌విడ్త్ ఎక్కువ. అందువల్ల, ఫోటోడయోడ్‌ల షాట్ శబ్దం, డార్క్ కరెంట్ మరియు బ్యాండ్‌విడ్త్ పనితీరు పరంగా, వాస్తవ ప్రాజెక్ట్ అవసరాలకు అనుగుణంగా సహేతుకమైన డిజైన్‌ను నిర్వహించాలి.

2. 1/f ఫ్లికర్ శబ్దం

1/f శబ్దం, ఫ్లికర్ శబ్దం అని కూడా పిలుస్తారు, ఇది ప్రధానంగా తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో సంభవిస్తుంది మరియు పదార్థ లోపాలు లేదా ఉపరితల శుభ్రత వంటి అంశాలకు సంబంధించినది. దాని వర్ణపట లక్షణ రేఖాచిత్రం నుండి, దాని శక్తి వర్ణపట సాంద్రత తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో కంటే అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో గణనీయంగా తక్కువగా ఉందని చూడవచ్చు మరియు ప్రతి 100 రెట్లు ఫ్రీక్వెన్సీ పెరుగుదలకు, వర్ణపట సాంద్రత శబ్దం సరళంగా 10 రెట్లు తగ్గుతుంది. 1/f శబ్దం యొక్క శక్తి వర్ణపట సాంద్రత ఫ్రీక్వెన్సీకి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది, అంటే:

వాటిలో:

SI(f) : శబ్ద శక్తి వర్ణపట సాంద్రత

నేను: ప్రస్తుతము

f: ఫ్రీక్వెన్సీ

తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో 1/f శబ్దం గణనీయంగా ఉంటుంది మరియు ఫ్రీక్వెన్సీ పెరిగేకొద్దీ బలహీనపడుతుంది. ఈ లక్షణం తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ అనువర్తనాల్లో జోక్యం యొక్క ప్రధాన వనరుగా చేస్తుంది. 1/f శబ్దం మరియు వైడ్‌బ్యాండ్ శబ్దం ప్రధానంగా ఫోటోడెటెక్టర్ లోపల ఆపరేషనల్ యాంప్లిఫైయర్ యొక్క వోల్టేజ్ శబ్దం నుండి వస్తాయి. ఆపరేషనల్ యాంప్లిఫైయర్ల విద్యుత్ సరఫరా శబ్దం, ప్రస్తుత శబ్దం మరియు ఆపరేషనల్ యాంప్లిఫైయర్ సర్క్యూట్ల లాభంలో నిరోధక నెట్‌వర్క్ యొక్క ఉష్ణ శబ్దం వంటి ఫోటోడెటెక్టర్ల శబ్దాన్ని ప్రభావితం చేసే అనేక ఇతర శబ్ద వనరులు ఉన్నాయి.

3. ఆపరేషనల్ యాంప్లిఫైయర్ యొక్క వోల్టేజ్ మరియు కరెంట్ శబ్దం: వోల్టేజ్ మరియు కరెంట్ స్పెక్ట్రల్ సాంద్రతలు క్రింది చిత్రంలో చూపించబడ్డాయి:

ఆపరేషనల్ యాంప్లిఫైయర్ సర్క్యూట్లలో, కరెంట్ శబ్దాన్ని ఇన్-ఫేజ్ కరెంట్ శబ్దం మరియు ఇన్వర్టింగ్ కరెంట్ శబ్దంగా విభజించారు. ఇన్-ఫేజ్ కరెంట్ శబ్దం i+ మూల అంతర్గత నిరోధకత R ద్వారా ప్రవహిస్తుంది, సమానమైన వోల్టేజ్ శబ్దాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది u1= i+*Rs. I- ఇన్వర్టింగ్ కరెంట్ శబ్దం గెయిన్ ఈక్వలెంట్ రెసిస్టర్ R ద్వారా ప్రవహించి సమానమైన వోల్టేజ్ శబ్దాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది u2= I-* R. కాబట్టి విద్యుత్ సరఫరా యొక్క RS పెద్దగా ఉన్నప్పుడు, కరెంట్ శబ్దం నుండి మార్చబడిన వోల్టేజ్ శబ్దం కూడా చాలా పెద్దది. అందువల్ల, మెరుగైన శబ్దం కోసం ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి, విద్యుత్ సరఫరా శబ్దం (అంతర్గత నిరోధకతతో సహా) కూడా ఆప్టిమైజేషన్‌కు కీలకమైన దిశ. ఫ్రీక్వెన్సీ వైవిధ్యాలతో కూడా కరెంట్ శబ్దం యొక్క స్పెక్ట్రల్ సాంద్రత మారదు. అందువల్ల, సర్క్యూట్ ద్వారా విస్తరించబడిన తర్వాత, ఇది ఫోటోడియోడ్ యొక్క డార్క్ కరెంట్ లాగా, ఫోటోడెటెక్టర్ యొక్క షాట్ శబ్దాన్ని సమగ్రంగా ఏర్పరుస్తుంది.

4. ఆపరేషనల్ యాంప్లిఫైయర్ సర్క్యూట్ యొక్క లాభం (యాంప్లిఫికేషన్ ఫ్యాక్టర్) కోసం రెసిస్టెన్స్ నెట్‌వర్క్ యొక్క థర్మల్ శబ్దాన్ని క్రింది సూత్రాన్ని ఉపయోగించి లెక్కించవచ్చు:

వాటిలో:

k: బోల్ట్జ్మాన్ స్థిరాంకం (1.38 × 10-23J/K)

T: సంపూర్ణ ఉష్ణోగ్రత (K)

R: రెసిస్టెన్స్ (ఓంలు) థర్మల్ నాయిస్ అనేది ఉష్ణోగ్రత మరియు రెసిస్టెన్స్ విలువకు సంబంధించినది మరియు దాని స్పెక్ట్రం ఫ్లాట్‌గా ఉంటుంది. లాభ నిరోధక విలువ ఎంత ఎక్కువగా ఉంటే, ఉష్ణ శబ్దం అంత ఎక్కువగా ఉంటుందని ఫార్ములా నుండి చూడవచ్చు. బ్యాండ్‌విడ్త్ ఎంత ఎక్కువగా ఉంటే, ఉష్ణ శబ్దం కూడా అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది. అందువల్ల, రెసిస్టెన్స్ విలువ మరియు బ్యాండ్‌విడ్త్ విలువ లాభ అవసరాలు మరియు బ్యాండ్‌విడ్త్ అవసరాలు రెండింటినీ తీరుస్తుందని మరియు చివరికి తక్కువ శబ్దం లేదా అధిక సిగ్నల్-టు-నాయిస్ నిష్పత్తిని డిమాండ్ చేస్తుందని నిర్ధారించుకోవడానికి, సిస్టమ్ యొక్క ఆదర్శ సిగ్నల్-టు-నాయిస్ నిష్పత్తిని సాధించడానికి వాస్తవ ప్రాజెక్ట్ అవసరాల ఆధారంగా గెయిన్ రెసిస్టర్‌ల ఎంపికను జాగ్రత్తగా పరిగణించాలి మరియు మూల్యాంకనం చేయాలి.

సారాంశం

ఫోటోడెటెక్టర్లు మరియు ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల పనితీరును పెంచడంలో శబ్ద మెరుగుదల సాంకేతికత ముఖ్యమైన పాత్ర పోషిస్తుంది. అధిక ఖచ్చితత్వం అంటే తక్కువ శబ్దం. సాంకేతికతకు అధిక ఖచ్చితత్వం అవసరం కాబట్టి, ఫోటోడెటెక్టర్ల యొక్క శబ్దం, సిగ్నల్-టు-శబ్ద నిష్పత్తి మరియు సమానమైన శబ్ద శక్తి అవసరాలు కూడా పెరుగుతున్నాయి.