วิธีลดสัญญาณรบกวนของโฟโตดีเทคเตอร์

วิธีลดสัญญาณรบกวนของโฟโตดีเทคเตอร์

สัญญาณรบกวนของโฟโตดีเทคเตอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วย: สัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้า, สัญญาณรบกวนความร้อน, สัญญาณรบกวนช็อต, สัญญาณรบกวน 1/f และสัญญาณรบกวนแบบบรอดแบนด์ เป็นต้น การจำแนกประเภทนี้เป็นเพียงการจำแนกอย่างคร่าวๆ เท่านั้น ในครั้งนี้ เราจะนำเสนอคุณลักษณะและการจำแนกประเภทของสัญญาณรบกวนอย่างละเอียดมากขึ้น เพื่อช่วยให้ทุกคนเข้าใจผลกระทบของสัญญาณรบกวนประเภทต่างๆ ต่อสัญญาณเอาต์พุตของโฟโตดีเทคเตอร์ได้ดียิ่งขึ้น การเข้าใจแหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนเท่านั้นที่จะช่วยให้เราลดและปรับปรุงสัญญาณรบกวนของโฟโตดีเทคเตอร์ได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของระบบได้

สัญญาณรบกวนช็อต (Shot noise) คือความผันผวนแบบสุ่มที่เกิดจากลักษณะเฉพาะของตัวนำประจุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เมื่อโฟตอนกระทบกับส่วนประกอบที่ไวต่อแสงเพื่อสร้างอิเล็กตรอน การสร้างอิเล็กตรอนเหล่านี้เป็นแบบสุ่มและเป็นไปตามการกระจายแบบปัวซง ลักษณะสเปกตรัมของสัญญาณรบกวนช็อตนั้นราบเรียบและไม่ขึ้นอยู่กับขนาดความถี่ ดังนั้นจึงเรียกว่าสัญญาณรบกวนสีขาว (White noise) คำอธิบายทางคณิตศาสตร์: ค่ารากกำลังสองเฉลี่ย (RMS) ของสัญญาณรบกวนช็อตสามารถแสดงได้ดังนี้:

ในจำนวนนั้นได้แก่:

e: ประจุอิเล็กตรอน (ประมาณ 1.6 × 10⁻¹⁹ คูลอมบ์)

Idark: กระแสไฟฟ้ามืด

Δf: แบนด์วิดท์

สัญญาณรบกวนแบบช็อต (Shot noise) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของกระแสไฟฟ้าและคงที่ที่ทุกความถี่ ในสูตร Idark แทนกระแสไฟฟ้ามืด (dark current) ของโฟโตไดโอด นั่นคือ ในกรณีที่ไม่มีแสง โฟโตไดโอดจะมีสัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้ามืดที่ไม่พึงประสงค์ เนื่องจากเป็นสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นเองที่ส่วนหน้าสุดของโฟโตดีเทคเตอร์ ยิ่งกระแสไฟฟ้ามืดมากเท่าไร สัญญาณรบกวนของโฟโตดีเทคเตอร์ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น กระแสไฟฟ้ามืดยังได้รับผลกระทบจากแรงดันไบแอสในการทำงานของโฟโตไดโอด กล่าวคือ ยิ่งแรงดันไบแอสในการทำงานมากเท่าไร กระแสไฟฟ้ามืดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม แรงดันไบแอสในการทำงานยังส่งผลต่อความจุของรอยต่อของโฟโตดีเทคเตอร์ จึงส่งผลต่อความเร็วและแบนด์วิดท์ของโฟโตดีเทคเตอร์ด้วย ยิ่งไปกว่านั้น ยิ่งแรงดันไบแอสมากเท่าไร ความเร็วและแบนด์วิดท์ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น ในแง่ของสัญญาณรบกวนแบบช็อต กระแสไฟฟ้ามืด และประสิทธิภาพแบนด์วิดท์ของโฟโตไดโอด ควรออกแบบอย่างเหมาะสมตามความต้องการของโครงการจริง

2. 1/f สัญญาณรบกวนแบบกระพริบ

สัญญาณรบกวน 1/f หรือที่รู้จักกันในชื่อสัญญาณรบกวนแบบกระพริบ ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในช่วงความถี่ต่ำและเกี่ยวข้องกับปัจจัยต่างๆ เช่น ข้อบกพร่องของวัสดุหรือความสะอาดของพื้นผิว จากแผนภาพลักษณะสเปกตรัม จะเห็นได้ว่าความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังของมันมีค่าน้อยกว่าอย่างเห็นได้ชัดในช่วงความถี่สูงกว่าในช่วงความถี่ต่ำ และทุกๆ การเพิ่มขึ้นของความถี่ 100 เท่า ความหนาแน่นสเปกตรัมของสัญญาณรบกวนจะลดลงเชิงเส้น 10 เท่า ความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังของสัญญาณรบกวน 1/f เป็นสัดส่วนผกผันกับความถี่ กล่าวคือ:

ในจำนวนนั้นได้แก่:

SI(f) : ความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังเสียงรบกวน

ฉัน: ปัจจุบัน

f: ความถี่

สัญญาณรบกวน 1/f มีความสำคัญในช่วงความถี่ต่ำและจะลดลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น คุณลักษณะนี้ทำให้มันเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนหลักในการใช้งานที่ความถี่ต่ำ สัญญาณรบกวน 1/f และสัญญาณรบกวนแบบบรอดแบนด์ส่วนใหญ่มาจากสัญญาณรบกวนแรงดันไฟฟ้าของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการภายในตัวตรวจจับแสง นอกจากนี้ยังมีแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนอื่นๆ อีกมากมายที่ส่งผลต่อสัญญาณรบกวนของตัวตรวจจับแสง เช่น สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ สัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้า และสัญญาณรบกวนจากความร้อนของเครือข่ายความต้านทานในวงจรขยายสัญญาณของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ

3. สัญญาณรบกวนแรงดันและกระแสของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ: ความหนาแน่นสเปกตรัมของแรงดันและกระแสแสดงอยู่ในรูปต่อไปนี้:

ในวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการ กระแสรบกวนจะแบ่งออกเป็นกระแสรบกวนเฟสตรงและกระแสรบกวนเฟสกลับ กระแสรบกวนเฟสตรง i+ ไหลผ่านความต้านทานภายในของแหล่งจ่าย Rs ทำให้เกิดแรงดันรบกวนเทียบเท่า u1 = i+ * Rs ส่วนกระแสรบกวนเฟสกลับ I- ไหลผ่านตัวต้านทานเทียบเท่าการขยาย R ทำให้เกิดแรงดันรบกวนเทียบเท่า u2 = I- * R ดังนั้นเมื่อ RS ของแหล่งจ่ายไฟมีค่ามาก แรงดันรบกวนที่แปลงมาจากกระแสรบกวนก็จะมีค่ามากเช่นกัน ดังนั้น เพื่อให้ได้สัญญาณรบกวนที่ดีขึ้น การลดสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ (รวมถึงความต้านทานภายใน) จึงเป็นทิศทางสำคัญในการปรับปรุง ความหนาแน่นสเปกตรัมของกระแสรบกวนจะไม่เปลี่ยนแปลงตามความถี่ ดังนั้นหลังจากถูกขยายโดยวงจรแล้ว มันก็จะเหมือนกับกระแสไฟฟ้ามืดของโฟโตไดโอด ที่รวมกันแล้วก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนช็อตของโฟโตดีเทคเตอร์

4. สามารถคำนวณค่าสัญญาณรบกวนความร้อนของเครือข่ายความต้านทานสำหรับอัตราขยาย (ตัวประกอบการขยาย) ของวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

ในจำนวนนั้นได้แก่:

k: ค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์ (1.38 × 10⁻²³ จูล/เคลวิน)

T: อุณหภูมิสัมบูรณ์ (เคลวิน)

R: ค่าความต้านทาน (โอห์ม) ของสัญญาณรบกวนความร้อนนั้นสัมพันธ์กับอุณหภูมิและค่าความต้านทาน และสเปกตรัมของสัญญาณรบกวนจะแบนราบ จากสูตรจะเห็นได้ว่ายิ่งค่าความต้านทานในการขยายสัญญาณมีค่ามากเท่าใด สัญญาณรบกวนความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และยิ่งแบนด์วิดท์มีค่ามากเท่าใด สัญญาณรบกวนความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น เพื่อให้แน่ใจว่าค่าความต้านทานและค่าแบนด์วิดท์ตรงตามข้อกำหนดทั้งด้านการขยายสัญญาณและแบนด์วิดท์ และท้ายที่สุดยังต้องการสัญญาณรบกวนต่ำหรืออัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูง การเลือกตัวต้านทานการขยายสัญญาณจึงต้องพิจารณาและประเมินอย่างรอบคอบโดยอิงจากข้อกำหนดของโครงการจริง เพื่อให้ได้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่เหมาะสมที่สุดของระบบ

สรุป

เทคโนโลยีลดสัญญาณรบกวนมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพของโฟโตดีเทคเตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ความแม่นยำสูงหมายถึงสัญญาณรบกวนต่ำ เมื่อเทคโนโลยีต้องการความแม่นยำสูงขึ้น ข้อกำหนดด้านสัญญาณรบกวน อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน และกำลังสัญญาณรบกวนเทียบเท่าของโฟโตดีเทคเตอร์ก็สูงขึ้นเรื่อยๆ เช่นกัน