วิธีลดเสียงรบกวนจากเครื่องตรวจจับภาพ

วิธีลดเสียงรบกวนจากเครื่องตรวจจับภาพ

สัญญาณรบกวนของเครื่องตรวจจับแสงประกอบด้วยสัญญาณรบกวนหลักๆ ได้แก่ สัญญาณรบกวนจากกระแสไฟฟ้า สัญญาณรบกวนจากความร้อน สัญญาณรบกวนจากการยิง สัญญาณรบกวน 1/f และสัญญาณรบกวนจากแบนด์กว้าง เป็นต้น การจำแนกประเภทนี้เป็นเพียงการจำแนกแบบคร่าวๆ ในครั้งนี้ เราจะแนะนำลักษณะสัญญาณรบกวนและการจำแนกประเภทอย่างละเอียดมากขึ้น เพื่อช่วยให้ทุกท่านเข้าใจผลกระทบของสัญญาณรบกวนประเภทต่างๆ ที่มีต่อสัญญาณเอาต์พุตของเครื่องตรวจจับแสงได้ดียิ่งขึ้น การทำความเข้าใจแหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนเพียงอย่างเดียวเท่านั้นที่จะช่วยลดและปรับปรุงสัญญาณรบกวนของเครื่องตรวจจับแสงให้ดีขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของระบบ

สัญญาณรบกวนแบบช็อต (shot noise) คือความผันผวนแบบสุ่มที่เกิดจากลักษณะเฉพาะตัวของตัวพาประจุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เมื่อโฟตอนกระทบกับส่วนประกอบที่ไวต่อแสงเพื่อสร้างอิเล็กตรอน การกำเนิดอิเล็กตรอนเหล่านี้จะสุ่มและสอดคล้องกับการกระจายแบบปัวซอง ลักษณะทางสเปกตรัมของสัญญาณรบกวนแบบช็อตนั้นแบนราบและไม่ขึ้นอยู่กับขนาดความถี่ จึงเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าสัญญาณรบกวนสีขาว คำอธิบายทางคณิตศาสตร์: ค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยกำลังสอง (RMS) ของสัญญาณรบกวนแบบช็อตสามารถแสดงได้ดังนี้:

ในหมู่พวกเขา:

e: ประจุอิเล็กทรอนิกส์ (ประมาณ 1.6 × 10-19 คูลอมบ์)

ไอดาร์ก: กระแสมืด

Δf: แบนด์วิดท์

สัญญาณรบกวนจากช็อตมีค่าแปรผันตามขนาดของกระแสไฟฟ้าและมีเสถียรภาพที่ทุกความถี่ ในสูตร Idark แทนกระแสมืดของโฟโตไดโอด กล่าวคือ ในกรณีที่ไม่มีแสง โฟโตไดโอดจะมีสัญญาณรบกวนจากกระแสมืดที่ไม่ต้องการ เนื่องจากสัญญาณรบกวนที่ปลายด้านหน้าสุดของโฟโตดีเทคเตอร์ ยิ่งกระแสมืดมีค่ามาก สัญญาณรบกวนจากโฟโตดีเทคเตอร์ก็จะยิ่งมากขึ้น กระแสมืดยังได้รับผลกระทบจากแรงดันไฟฟ้าไบแอสของโฟโตดีเทคเตอร์ กล่าวคือ ยิ่งแรงดันไฟฟ้าไบแอสมีค่ามาก กระแสมืดก็จะยิ่งมากขึ้น อย่างไรก็ตาม แรงดันไฟฟ้าไบแอสยังส่งผลต่อความจุของจุดเชื่อมต่อของโฟโตดีเทคเตอร์ ซึ่งส่งผลต่อความเร็วและแบนด์วิดท์ของโฟโตดีเทคเตอร์ ยิ่งไปกว่านั้น ยิ่งแรงดันไบแอสมีค่ามาก ความเร็วและแบนด์วิดท์ก็จะยิ่งมากขึ้น ดังนั้น ในแง่ของสัญญาณรบกวนจากช็อต กระแสมืด และประสิทธิภาพแบนด์วิดท์ของโฟโตดีเทคเตอร์ ควรออกแบบให้เหมาะสมตามข้อกำหนดของโครงการจริง

2. 1/f สัญญาณรบกวนจากการกระพริบ

สัญญาณรบกวน 1/f หรือที่รู้จักกันในชื่อสัญญาณรบกวนแบบกะพริบ (flicker noise) ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในช่วงความถี่ต่ำ และเกี่ยวข้องกับปัจจัยต่างๆ เช่น ข้อบกพร่องของวัสดุหรือความสะอาดของพื้นผิว จากแผนภาพลักษณะเฉพาะของสเปกตรัม จะเห็นได้ว่าความหนาแน่นของสเปกตรัมกำลังในช่วงความถี่สูงมีค่าน้อยกว่าในช่วงความถี่ต่ำอย่างมีนัยสำคัญ และเมื่อความถี่เพิ่มขึ้นทุกๆ 100 เท่า สัญญาณรบกวนความหนาแน่นสเปกตรัมจะลดลงเป็นเส้นตรง 10 เท่า ความหนาแน่นของสเปกตรัมกำลังของสัญญาณรบกวน 1/f จะแปรผกผันกับความถี่ กล่าวคือ

ในหมู่พวกเขา:

SI(f) : ความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังสัญญาณรบกวน

ฉัน: กระแส

f: ความถี่

สัญญาณรบกวน 1/f มีความสำคัญในช่วงความถี่ต่ำและจะอ่อนลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ลักษณะนี้ทำให้สัญญาณรบกวนนี้เป็นแหล่งสัญญาณรบกวนหลักในการใช้งานความถี่ต่ำ สัญญาณรบกวน 1/f และสัญญาณรบกวนแบนด์กว้างส่วนใหญ่เกิดจากสัญญาณรบกวนแรงดันไฟฟ้าของวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการภายในโฟโตดีเทคเตอร์ ยังมีแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนอื่นๆ อีกมากมายที่ส่งผลกระทบต่อสัญญาณรบกวนของโฟโตดีเทคเตอร์ เช่น สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟของวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการ สัญญาณรบกวนจากกระแสไฟฟ้า และสัญญาณรบกวนความร้อนของโครงข่ายความต้านทานที่อัตราขยายของวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการ

3. แรงดันไฟฟ้าและสัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้าของเครื่องขยายสัญญาณปฏิบัติการ: ความหนาแน่นสเปกตรัมแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าแสดงอยู่ในรูปต่อไปนี้:

ในวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการ สัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้าจะถูกแบ่งออกเป็นสัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้าในเฟสและสัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้ากลับเฟส สัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้าในเฟส i+ ไหลผ่านความต้านทานภายในของแหล่งกำเนิด Rs ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนแรงดันไฟฟ้าสมมูล u1 = i+*Rs สัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้ากลับเฟส I- จะไหลผ่านตัวต้านทานเทียบเท่าค่าเกน R เพื่อสร้างสัญญาณรบกวนแรงดันไฟฟ้าสมมูล u2 = I-*R ดังนั้นเมื่อ RS ของแหล่งจ่ายไฟมีค่าสูง สัญญาณรบกวนแรงดันไฟฟ้าที่แปลงจากสัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้าก็จะมีค่าสูงเช่นกัน ดังนั้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสัญญาณรบกวน สัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ (รวมถึงความต้านทานภายใน) จึงเป็นปัจจัยสำคัญในการปรับให้เหมาะสม ความหนาแน่นสเปกตรัมของสัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้าจะไม่เปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงความถี่ ดังนั้น หลังจากถูกขยายสัญญาณโดยวงจรแล้ว เช่นเดียวกับกระแสมืดของโฟโตไดโอด จึงเกิดสัญญาณรบกวนแบบช็อตของโฟโตดีเทคเตอร์

4. สามารถคำนวณสัญญาณรบกวนความร้อนของเครือข่ายความต้านทานสำหรับค่าเกน (ปัจจัยการขยาย) ของวงจรขยายสัญญาณปฏิบัติการได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

ในหมู่พวกเขา:

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

T: อุณหภูมิสัมบูรณ์ (K)

R: ค่าความต้านทาน (โอห์ม) ของสัญญาณรบกวนความร้อนสัมพันธ์กับอุณหภูมิและค่าความต้านทาน และมีสเปกตรัมแบนราบ จากสูตรจะเห็นได้ว่า ยิ่งค่าความต้านทานเกนสูง สัญญาณรบกวนความร้อนก็จะยิ่งมาก ยิ่งแบนด์วิดท์สูง สัญญาณรบกวนความร้อนก็จะยิ่งมากตามไปด้วย ดังนั้น เพื่อให้มั่นใจว่าค่าความต้านทานและค่าแบนด์วิดท์ตรงตามข้อกำหนดทั้งค่าเกนและแบนด์วิดท์ และท้ายที่สุดแล้วยังต้องการสัญญาณรบกวนต่ำหรืออัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูง การเลือกตัวต้านทานเกนจึงจำเป็นต้องได้รับการพิจารณาและประเมินอย่างรอบคอบโดยพิจารณาจากข้อกำหนดจริงของโครงการ เพื่อให้ได้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่เหมาะสมที่สุดของระบบ

สรุป

เทคโนโลยีการปรับปรุงสัญญาณรบกวนมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องตรวจจับแสงและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ความแม่นยำสูงหมายถึงสัญญาณรบกวนต่ำ เนื่องจากเทคโนโลยีต้องการความแม่นยำสูงขึ้น ข้อกำหนดด้านสัญญาณรบกวน อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน และกำลังสัญญาณรบกวนเทียบเท่าของเครื่องตรวจจับแสงจึงเพิ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ