Wie man das Rauschen von Fotodetektoren reduziert

Wie man das Rauschen von Fotodetektoren reduziert

Das Rauschen von Fotodetektoren umfasst hauptsächlich Stromrauschen, thermisches Rauschen, Schrotrauschen, 1/f-Rauschen und Breitbandrauschen. Diese Einteilung ist jedoch nur grob. Im Folgenden werden wir detailliertere Rauscheigenschaften und -klassifizierungen vorstellen, um das Verständnis der Auswirkungen verschiedener Rauscharten auf die Ausgangssignale von Fotodetektoren zu erleichtern. Nur durch das Verständnis der Rauschquellen lässt sich das Rauschen von Fotodetektoren effektiv reduzieren und verbessern, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems optimiert wird.

Schrotrauschen ist eine zufällige Fluktuation, die durch die diskrete Natur der Ladungsträger verursacht wird. Insbesondere beim photoelektrischen Effekt, wenn Photonen auf lichtempfindliche Komponenten treffen und Elektronen erzeugen, ist die Erzeugung dieser Elektronen zufällig und folgt der Poisson-Verteilung. Die spektralen Eigenschaften des Schrotrauschens sind flach und unabhängig von der Frequenzamplitude; daher wird es auch als weißes Rauschen bezeichnet. Mathematische Beschreibung: Der Effektivwert (RMS) des Schrotrauschens lässt sich wie folgt ausdrücken:

Darunter:

e: Elementarladung (ungefähr 1,6 × 10-19 Coulomb)

Idark: Dunkler Strom

Δf: Bandbreite

Das Schrotrauschen ist proportional zur Stromstärke und über den gesamten Frequenzbereich stabil. In der Formel bezeichnet I_dark den Dunkelstrom der Fotodiode. Das heißt, ohne Lichteinfall erzeugt die Fotodiode unerwünschtes Dunkelstromrauschen. Da es sich um das inhärente Rauschen am Eingang des Fotodetektors handelt, gilt: Je größer der Dunkelstrom, desto höher das Rauschen des Fotodetektors. Der Dunkelstrom wird auch von der Betriebsspannung der Fotodiode beeinflusst: Je höher die Betriebsspannung, desto höher der Dunkelstrom. Die Betriebsspannung beeinflusst jedoch auch die Sperrschichtkapazität des Fotodetektors und damit dessen Geschwindigkeit und Bandbreite. Auch hier gilt: Je höher die Betriebsspannung, desto höher die Geschwindigkeit und Bandbreite. Daher sollte die Auslegung von Fotodioden hinsichtlich Schrotrauschen, Dunkelstrom und Bandbreite den jeweiligen Projektanforderungen angepasst werden.

2. 1/f-Flimmerrauschen

1/f-Rauschen, auch als Flicker-Rauschen bekannt, tritt hauptsächlich im Niederfrequenzbereich auf und hängt mit Faktoren wie Materialfehlern oder mangelnder Oberflächenreinheit zusammen. Aus seinem Spektraldiagramm geht hervor, dass seine spektrale Leistungsdichte im Hochfrequenzbereich deutlich geringer ist als im Niederfrequenzbereich. Mit jeder 100-fachen Frequenzerhöhung nimmt die spektrale Leistungsdichte des Rauschens linear um den Faktor 10 ab. Die spektrale Leistungsdichte des 1/f-Rauschens ist umgekehrt proportional zur Frequenz.

Darunter:

SI(f): Rauschleistungsspektraldichte

I: Aktuell

f: Frequenz

Das 1/f-Rauschen ist im Niederfrequenzbereich signifikant und nimmt mit steigender Frequenz ab. Diese Eigenschaft macht es zu einer Hauptstörquelle in Niederfrequenzanwendungen. 1/f-Rauschen und Breitbandrauschen stammen hauptsächlich vom Spannungsrauschen des Operationsverstärkers im Fotodetektor. Es gibt viele weitere Rauschquellen, die das Rauschen von Fotodetektoren beeinflussen, wie beispielsweise das Versorgungsspannungsrauschen der Operationsverstärker, Stromrauschen und das thermische Rauschen des Widerstandsnetzwerks in der Verstärkungsschaltung der Operationsverstärker.

3. Spannungs- und Stromrauschen des Operationsverstärkers: Die Spannungs- und Stromspektraldichten sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

In Operationsverstärkerschaltungen wird das Stromrauschen in gleichphasiges und invertierendes Stromrauschen unterteilt. Das gleichphasige Stromrauschen i+ fließt durch den internen Widerstand Rs der Quelle und erzeugt ein äquivalentes Spannungsrauschen u1 = i+ * Rs. Das invertierende Stromrauschen i- fließt durch den Verstärkungswiderstand R und erzeugt ein äquivalentes Spannungsrauschen u2 = I- * R. Ist der Widerstand Rs der Versorgungsspannung groß, ist auch das aus dem Stromrauschen umgewandelte Spannungsrauschen sehr groß. Um das Rauschen zu optimieren, ist daher die Reduzierung des Versorgungsspannungsrauschens (einschließlich des internen Widerstands) ein wichtiger Optimierungsansatz. Die spektrale Leistungsdichte des Stromrauschens ändert sich auch nicht mit der Frequenz. Daher trägt es nach der Verstärkung durch die Schaltung, ähnlich dem Dunkelstrom der Fotodiode, zum Schrotrauschen des Fotodetektors bei.

4. Das thermische Rauschen des Widerstandsnetzwerks für die Verstärkung (den Verstärkungsfaktor) der Operationsverstärkerschaltung kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

Darunter:

k: Boltzmann-Konstante (1,38 × 10-23J/K)

T: Absolute Temperatur (K)

Der thermische Rauschenwert (R, Ohm) hängt von der Temperatur und dem Widerstandswert ab und weist ein flaches Spektrum auf. Aus der Formel geht hervor, dass mit steigendem Verstärkungswiderstand auch das thermische Rauschen zunimmt. Gleiches gilt für eine größere Bandbreite. Um sicherzustellen, dass Widerstandswert und Bandbreite sowohl die Verstärkungs- als auch die Bandbreitenanforderungen erfüllen und gleichzeitig ein geringes Rauschen bzw. ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht wird, muss die Auswahl der Verstärkungswiderstände sorgfältig und anhand der konkreten Projektanforderungen erfolgen, um das optimale Signal-Rausch-Verhältnis des Systems zu erzielen.

Zusammenfassung

Rauschunterdrückungstechnologien spielen eine entscheidende Rolle bei der Leistungssteigerung von Fotodetektoren und elektronischen Bauelementen. Hohe Präzision bedeutet geringes Rauschen. Mit steigenden technologischen Anforderungen an die Präzision steigen auch die Anforderungen an Rauschen, Signal-Rausch-Verhältnis und äquivalente Rauschleistung von Fotodetektoren kontinuierlich an.