ఫోటోడిటెక్టర్ల శబ్దాన్ని ఎలా తగ్గించాలి

ఫోటోడిటెక్టర్ల శబ్దాన్ని ఎలా తగ్గించాలి

ఫోటోడిటెక్టర్ల శబ్దంలో ప్రధానంగా ఇవి ఉంటాయి: కరెంట్ నాయిస్, థర్మల్ నాయిస్, షాట్ నాయిస్, 1/f నాయిస్ మరియు వైడ్‌బ్యాండ్ నాయిస్, మొదలైనవి. ఈ వర్గీకరణ కేవలం ఒక స్థూలమైనది మాత్రమే. ఈసారి, ఫోటోడిటెక్టర్ల అవుట్‌పుట్ సిగ్నల్స్‌పై వివిధ రకాల శబ్దాల ప్రభావాన్ని ప్రతిఒక్కరూ మరింత బాగా అర్థం చేసుకోవడానికి సహాయపడేలా, మేము మరింత వివరణాత్మక శబ్ద లక్షణాలను మరియు వర్గీకరణలను పరిచయం చేస్తాము. శబ్దానికి గల మూలాలను అర్థం చేసుకోవడం ద్వారా మాత్రమే మనం ఫోటోడిటెక్టర్ల శబ్దాన్ని మరింతగా తగ్గించి, మెరుగుపరచగలం, తద్వారా సిస్టమ్ యొక్క సిగ్నల్-టు-నాయిస్ నిష్పత్తిని ఆప్టిమైజ్ చేయగలం.

షాట్ నాయిస్ అనేది చార్జ్ క్యారియర్‌ల వివిక్త స్వభావం వల్ల కలిగే యాదృచ్ఛిక హెచ్చుతగ్గు. ముఖ్యంగా ఫోటోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావంలో, ఫోటాన్‌లు కాంతికి సున్నితమైన భాగాలను తాకి ఎలక్ట్రాన్‌లను ఉత్పత్తి చేసినప్పుడు, ఈ ఎలక్ట్రాన్‌ల ఉత్పత్తి యాదృచ్ఛికంగా ఉంటుంది మరియు పాయిసన్ పంపిణీకి అనుగుణంగా ఉంటుంది. షాట్ నాయిస్ యొక్క స్పెక్ట్రల్ లక్షణాలు సమతలంగా మరియు ఫ్రీక్వెన్సీ పరిమాణంపై ఆధారపడకుండా ఉంటాయి, అందువల్ల దీనిని వైట్ నాయిస్ అని కూడా అంటారు. గణిత వివరణ: షాట్ నాయిస్ యొక్క రూట్ మీన్ స్క్వేర్ (RMS) విలువను ఈ విధంగా వ్యక్తీకరించవచ్చు:

వారిలో:

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

ఐడార్క్: చీకటి ప్రస్తుత

Δf: బ్యాండ్‌విడ్త్

షాట్ నాయిస్ అనేది కరెంట్ పరిమాణానికి అనుపాతంలో ఉంటుంది మరియు అన్ని ఫ్రీక్వెన్సీల వద్ద స్థిరంగా ఉంటుంది. ఫార్ములాలో, Idark అనేది ఫోటోడయోడ్ యొక్క డార్క్ కరెంట్‌ను సూచిస్తుంది. అంటే, కాంతి లేనప్పుడు, ఫోటోడయోడ్‌లో అవాంఛిత డార్క్ కరెంట్ నాయిస్ ఉంటుంది. ఇది ఫోటోడిటెక్టర్ యొక్క ముందు భాగంలో ఉండే సహజమైన నాయిస్ కాబట్టి, డార్క్ కరెంట్ ఎంత ఎక్కువగా ఉంటే, ఫోటోడిటెక్టర్ నాయిస్ కూడా అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది. డార్క్ కరెంట్ అనేది ఫోటోడయోడ్ యొక్క బయాస్ ఆపరేటింగ్ వోల్టేజ్ ద్వారా కూడా ప్రభావితమవుతుంది, అంటే, బయాస్ ఆపరేటింగ్ వోల్టేజ్ ఎంత ఎక్కువగా ఉంటే, డార్క్ కరెంట్ అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది. అయితే, బయాస్ వర్కింగ్ వోల్టేజ్ ఫోటోడిటెక్టర్ యొక్క జంక్షన్ కెపాసిటెన్స్‌ను కూడా ప్రభావితం చేస్తుంది, తద్వారా ఫోటోడిటెక్టర్ యొక్క వేగం మరియు బ్యాండ్‌విడ్త్‌ను ప్రభావితం చేస్తుంది. అంతేకాకుండా, బయాస్ వోల్టేజ్ ఎంత ఎక్కువగా ఉంటే, వేగం మరియు బ్యాండ్‌విడ్త్ అంత ఎక్కువగా ఉంటాయి. అందువల్ల, ఫోటోడయోడ్‌ల యొక్క షాట్ నాయిస్, డార్క్ కరెంట్ మరియు బ్యాండ్‌విడ్త్ పనితీరు పరంగా, వాస్తవ ప్రాజెక్ట్ అవసరాలకు అనుగుణంగా సరైన డిజైన్‌ను చేపట్టాలి.

2. 1/f ఫ్లికర్ నాయిస్

1/f నాయిస్, దీనిని ఫ్లికర్ నాయిస్ అని కూడా అంటారు, ఇది ప్రధానంగా తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో సంభవిస్తుంది మరియు పదార్థ లోపాలు లేదా ఉపరితల శుభ్రత వంటి కారకాలకు సంబంధించినది. దీని స్పెక్ట్రల్ లక్షణ రేఖాచిత్రం నుండి, దీని పవర్ స్పెక్ట్రల్ డెన్సిటీ తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధి కంటే అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో గణనీయంగా తక్కువగా ఉంటుందని చూడవచ్చు, మరియు ఫ్రీక్వెన్సీలో ప్రతి 100 రెట్ల పెరుగుదలకు, స్పెక్ట్రల్ డెన్సిటీ నాయిస్ 10 రెట్లు సరళంగా తగ్గుతుంది. 1/f నాయిస్ యొక్క పవర్ స్పెక్ట్రల్ డెన్సిటీ ఫ్రీక్వెన్సీకి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది, అనగా:

వారిలో:

SI(f) : శబ్ద శక్తి వర్ణపట సాంద్రత

I: ప్రస్తుత

f: పౌనఃపున్యం

1/f నాయిస్ తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో గణనీయంగా ఉంటుంది మరియు ఫ్రీక్వెన్సీ పెరిగేకొద్దీ బలహీనపడుతుంది. ఈ లక్షణం దీనిని తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ అనువర్తనాలలో జోక్యానికి ఒక ప్రధాన మూలంగా చేస్తుంది. 1/f నాయిస్ మరియు వైడ్‌బ్యాండ్ నాయిస్ ప్రధానంగా ఫోటోడిటెక్టర్ లోపల ఉన్న ఆపరేషనల్ యాంప్లిఫైయర్ యొక్క వోల్టేజ్ నాయిస్ నుండి వస్తాయి. ఫోటోడిటెక్టర్ల నాయిస్‌ను ప్రభావితం చేసే అనేక ఇతర నాయిస్ మూలాలు ఉన్నాయి, అవి ఆపరేషనల్ యాంప్లిఫైయర్ల పవర్ సప్లై నాయిస్, కరెంట్ నాయిస్, మరియు ఆపరేషనల్ యాంప్లిఫైయర్ సర్క్యూట్ల గెయిన్‌లోని రెసిస్టెన్స్ నెట్‌వర్క్ యొక్క థర్మల్ నాయిస్ వంటివి.

3. ఆపరేషనల్ యాంప్లిఫైయర్ యొక్క వోల్టేజ్ మరియు కరెంట్ నాయిస్: వోల్టేజ్ మరియు కరెంట్ స్పెక్ట్రల్ డెన్సిటీలు కింది చిత్రంలో చూపబడ్డాయి:

ఆపరేషనల్ యాంప్లిఫైయర్ సర్క్యూట్లలో, కరెంట్ నాయిస్‌ను ఇన్-ఫేజ్ కరెంట్ నాయిస్ మరియు ఇన్వర్టింగ్ కరెంట్ నాయిస్‌గా విభజిస్తారు. ఇన్-ఫేజ్ కరెంట్ నాయిస్ i+ సోర్స్ ఇంటర్నల్ రెసిస్టెన్స్ Rs గుండా ప్రవహించి, తుల్య వోల్టేజ్ నాయిస్ u1= i+*Rs ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. I- ఇన్వర్టింగ్ కరెంట్ నాయిస్ గెయిన్ ఈక్వివలెంట్ రెసిస్టర్ R గుండా ప్రవహించి, తుల్య వోల్టేజ్ నాయిస్ u2= I-* R ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. కాబట్టి పవర్ సప్లై యొక్క RS ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, కరెంట్ నాయిస్ నుండి మార్చబడిన వోల్టేజ్ నాయిస్ కూడా చాలా ఎక్కువగా ఉంటుంది. అందువల్ల, మెరుగైన నాయిస్ కోసం ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి, పవర్ సప్లై నాయిస్ (ఇంటర్నల్ రెసిస్టెన్స్‌తో సహా) కూడా ఆప్టిమైజేషన్ కోసం ఒక కీలకమైన అంశం. ఫ్రీక్వెన్సీ మార్పులతో కరెంట్ నాయిస్ యొక్క స్పెక్ట్రల్ డెన్సిటీ కూడా మారదు. అందువల్ల, సర్క్యూట్ ద్వారా యాంప్లిఫై చేయబడిన తర్వాత, ఇది ఫోటోడయోడ్ యొక్క డార్క్ కరెంట్ లాగా, ఫోటోడిటెక్టర్ యొక్క షాట్ నాయిస్‌ను సమగ్రంగా ఏర్పరుస్తుంది.

4. ఆపరేషనల్ యాంప్లిఫైయర్ సర్క్యూట్ యొక్క గెయిన్ (యాంప్లిఫికేషన్ ఫ్యాక్టర్) కోసం రెసిస్టెన్స్ నెట్‌వర్క్ యొక్క థర్మల్ నాయిస్‌ను కింది ఫార్ములాను ఉపయోగించి లెక్కించవచ్చు:

వారిలో:

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

T: సంపూర్ణ ఉష్ణోగ్రత (కెల్విన్)

R: రెసిస్టెన్స్ (ఓమ్స్) థర్మల్ నాయిస్ అనేది ఉష్ణోగ్రత మరియు రెసిస్టెన్స్ విలువకు సంబంధించినది, మరియు దాని స్పెక్ట్రమ్ ఫ్లాట్‌గా ఉంటుంది. ఫార్ములా నుండి గమనించినట్లయితే, గెయిన్ రెసిస్టెన్స్ విలువ ఎంత ఎక్కువగా ఉంటే, థర్మల్ నాయిస్ అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది. బ్యాండ్‌విడ్త్ ఎంత ఎక్కువగా ఉంటే, థర్మల్ నాయిస్ కూడా అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది. అందువల్ల, రెసిస్టెన్స్ విలువ మరియు బ్యాండ్‌విడ్త్ విలువ రెండూ గెయిన్ మరియు బ్యాండ్‌విడ్త్ అవసరాలను తీరుస్తున్నాయని నిర్ధారించుకోవడానికి, మరియు అంతిమంగా తక్కువ నాయిస్ లేదా అధిక సిగ్నల్-టు-నాయిస్ నిష్పత్తిని కూడా కోరుకోవడానికి, సిస్టమ్ యొక్క ఆదర్శవంతమైన సిగ్నల్-టు-నాయిస్ నిష్పత్తిని సాధించడం కోసం, వాస్తవ ప్రాజెక్ట్ అవసరాల ఆధారంగా గెయిన్ రెసిస్టర్‌ల ఎంపికను జాగ్రత్తగా పరిగణించి, మూల్యాంకనం చేయాలి.

సారాంశం

ఫోటోడిటెక్టర్లు మరియు ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల పనితీరును మెరుగుపరచడంలో నాయిస్ ఇంప్రూవ్‌మెంట్ టెక్నాలజీ ఒక ముఖ్యమైన పాత్ర పోషిస్తుంది. అధిక కచ్చితత్వం అంటే తక్కువ నాయిస్. సాంకేతికత అధిక కచ్చితత్వాన్ని కోరుతున్న కొద్దీ, ఫోటోడిటెక్టర్ల నాయిస్, సిగ్నల్-టు-నాయిస్ రేషియో మరియు ఈక్వివలెంట్ నాయిస్ పవర్ అవసరాలు కూడా అంతకంతకూ పెరుగుతున్నాయి.