광검출기의 노이즈를 줄이는 방법

광검출기의 노이즈를 줄이는 방법

광검출기 잡음에는 주로 전류 잡음, 열 잡음, 샷 잡음, 1/f 잡음, 광대역 잡음 등이 포함됩니다. 이러한 분류는 비교적 개략적인 것일 뿐입니다. 이번 호에서는 다양한 유형의 잡음이 광검출기 출력 신호에 미치는 영향을 더 잘 이해할 수 있도록 더욱 자세한 잡음 특성과 분류를 소개하겠습니다. 잡음의 원인을 이해해야만 광검출기 잡음을 더욱 효과적으로 줄이고 개선하여 시스템의 신호 대 잡음비를 최적화할 수 있습니다.

샷 노이즈는 전하 캐리어의 불연속적인 특성으로 인해 발생하는 무작위적인 변동입니다. 특히 광전 효과에서 광자가 감광 부품에 충돌하여 전자를 생성할 때, 이러한 전자의 생성은 무작위적이며 푸아송 분포를 따릅니다. 샷 노이즈의 스펙트럼 특성은 평탄하고 주파수 크기에 독립적이므로 백색 잡음이라고도 합니다. 수학적 설명: 샷 노이즈의 제곱 평균 제곱근(RMS) 값은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

그 중에는 다음이 있습니다:

e: 전자 전하(약 1.6 × 10-19 쿨롱)

이다크: 다크 커런트

Δf: 대역폭

샷 노이즈는 전류 크기에 비례하며 모든 주파수에서 안정적입니다. 수식에서 Idark는 광다이오드의 암전류를 나타냅니다. 즉, 빛이 없는 경우 광다이오드는 원치 않는 암전류 노이즈를 발생시킵니다. 광검출기 최전단의 고유 노이즈로서, 암전류가 클수록 광검출기의 노이즈도 커집니다. 암전류는 광다이오드의 바이어스 동작 전압의 영향을 받습니다. 즉, 바이어스 동작 전압이 클수록 암전류도 커집니다. 그러나 바이어스 동작 전압은 광검출기의 접합 커패시턴스에도 영향을 미쳐 광검출기의 속도와 대역폭에 영향을 미칩니다. 또한, 바이어스 전압이 클수록 속도와 대역폭이 커집니다. 따라서 광다이오드의 샷 노이즈, 암전류 및 대역폭 성능 측면에서 실제 프로젝트 요구 사항에 따라 합리적인 설계가 수행되어야 합니다.

2. 1/f 플리커 노이즈

1/f 잡음은 플리커 잡음이라고도 하며, 주로 저주파수 영역에서 발생하며 재료 결함이나 표면 청결도와 같은 요인과 관련이 있습니다. 스펙트럼 특성 다이어그램에서 볼 수 있듯이, 고주파수 영역에서 전력 스펙트럼 밀도(PSPD)는 저주파수 영역보다 현저히 작으며, 주파수가 100배 증가할 때마다 스펙트럼 밀도 잡음은 10배씩 선형적으로 감소합니다. 1/f 잡음의 전력 스펙트럼 밀도는 주파수에 반비례합니다. 즉, 다음과 같습니다.

그 중에는 다음이 있습니다:

SI(f) : 잡음 전력 스펙트럼 밀도

나: 현재

f: 주파수

1/f 잡음은 저주파수 범위에서 두드러지며 주파수가 증가함에 따라 약해집니다. 이러한 특성으로 인해 저주파 응용 분야에서 주요 간섭원이 됩니다. 1/f 잡음과 광대역 잡음은 주로 광검출기 내부 연산 증폭기의 전압 잡음에서 발생합니다. 연산 증폭기의 전원 잡음, 전류 잡음, 연산 증폭기 회로 이득 내 저항 회로망의 열 잡음 등 광검출기의 잡음에 영향을 미치는 다른 잡음원도 많이 있습니다.

3. 연산 증폭기의 전압 및 전류 잡음: 전압 및 전류 스펙트럼 밀도는 다음 그림과 같습니다.

연산 증폭기 회로에서 전류 잡음은 동상 전류 잡음과 반전 전류 잡음으로 나뉩니다. 동상 전류 잡음 i+는 소스 내부 저항 Rs를 통과하여 등가 전압 잡음 u1 = i+*Rs를 생성합니다. 반전 전류 잡음 I-는 이득 등가 저항 R을 통과하여 등가 전압 잡음 u2 = I-*R을 생성합니다. 따라서 전원 공급 장치의 RS가 클 때 전류 잡음에서 변환된 전압 잡음도 매우 큽니다. 따라서 더 나은 잡음을 최적화하기 위해 전원 공급 장치 잡음(내부 저항 포함)도 최적화의 핵심 방향입니다. 전류 잡음의 스펙트럼 밀도는 주파수 변화에도 변하지 않습니다. 따라서 회로에서 증폭된 후 광 다이오드의 암전류와 마찬가지로 광 검출기의 샷 잡음을 포괄적으로 형성합니다.

4. 연산 증폭기 회로의 이득(증폭 계수)에 대한 저항 네트워크의 열 잡음은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

그 중에는 다음이 있습니다:

k: 볼츠만 상수(1.38 × 10-23J/K)

T: 절대 온도(K)

R: 저항(옴) 열 잡음은 온도 및 저항값과 관련이 있으며, 그 스펙트럼은 평탄합니다. 공식에서 알 수 있듯이 이득 저항값이 클수록 열 잡음이 커집니다. 대역폭이 클수록 열 잡음도 커집니다. 따라서 저항값과 대역폭 값이 이득 요구 사항과 대역폭 요구 사항을 모두 충족하고 궁극적으로 낮은 잡음 또는 높은 신호대잡음비를 요구하도록 하려면, 시스템의 이상적인 신호대잡음비를 달성하기 위해 실제 프로젝트 요구 사항을 기반으로 이득 저항을 신중하게 선택하고 평가해야 합니다.

요약

잡음 개선 기술은 광검출기 및 전자 장치의 성능 향상에 중요한 역할을 합니다. 높은 정밀도는 낮은 잡음을 의미합니다. 기술이 더 높은 정밀도를 요구함에 따라, 광검출기의 잡음, 신호 대 잡음비, 그리고 등가 잡음 전력에 대한 요구 또한 점점 더 높아지고 있습니다.