Como reduzir o ruído dos fotodetectores
O ruído dos fotodetectores inclui principalmente: ruído de corrente, ruído térmico, ruído de disparo, ruído 1/f e ruído de banda larga, entre outros. Essa classificação é apenas bastante simplificada. Desta vez, apresentaremos características e classificações de ruído mais detalhadas para ajudar a todos a compreender melhor o impacto dos diversos tipos de ruído nos sinais de saída dos fotodetectores. Somente compreendendo as fontes de ruído podemos reduzir e melhorar o desempenho dos fotodetectores, otimizando assim a relação sinal-ruído do sistema.
O ruído de disparo é uma flutuação aleatória causada pela natureza discreta dos portadores de carga. Especialmente no efeito fotoelétrico, quando os fótons atingem componentes fotossensíveis para gerar elétrons, a geração desses elétrons é aleatória e segue uma distribuição de Poisson. As características espectrais do ruído de disparo são planas e independentes da magnitude da frequência, sendo por isso também chamado de ruído branco. Descrição matemática: O valor da raiz quadrada média (RMS) do ruído de disparo pode ser expresso como:
Entre eles:
e: Carga eletrônica (aproximadamente 1,6 × 10-19 coulombs)
Idark: Corrente escura
Δf: Largura de banda
O ruído de disparo é proporcional à magnitude da corrente e é estável em todas as frequências. Na fórmula, Idark representa a corrente escura do fotodiodo. Ou seja, na ausência de luz, o fotodiodo apresenta ruído de corrente escura indesejado. Como o ruído é inerente à entrada do fotodetector, quanto maior a corrente escura, maior o ruído do fotodetector. A corrente escura também é afetada pela tensão de polarização do fotodiodo, ou seja, quanto maior a tensão de polarização, maior a corrente escura. No entanto, a tensão de polarização também afeta a capacitância da junção do fotodetector, influenciando assim a velocidade e a largura de banda do fotodetector. Além disso, quanto maior a tensão de polarização, maior a velocidade e a largura de banda. Portanto, em termos de desempenho de ruído de disparo, corrente escura e largura de banda dos fotodiodos, um projeto adequado deve ser realizado de acordo com os requisitos reais do projeto.
2. 1/f Ruído de cintilação
O ruído 1/f, também conhecido como ruído de cintilação, ocorre principalmente na faixa de baixa frequência e está relacionado a fatores como defeitos no material ou limpeza da superfície. A partir de seu diagrama de características espectrais, observa-se que sua densidade espectral de potência é significativamente menor na faixa de alta frequência do que na faixa de baixa frequência, e para cada aumento de 100 vezes na frequência, a densidade espectral do ruído diminui linearmente em 10 vezes. A densidade espectral de potência do ruído 1/f é inversamente proporcional à frequência, ou seja:
Entre eles:
SI(f): Densidade espectral de potência do ruído
I: Atual
f: Frequência
O ruído 1/f é significativo na faixa de baixa frequência e diminui com o aumento da frequência. Essa característica o torna uma importante fonte de interferência em aplicações de baixa frequência. O ruído 1/f e o ruído de banda larga provêm principalmente do ruído de tensão do amplificador operacional dentro do fotodetector. Existem muitas outras fontes de ruído que afetam o ruído dos fotodetectores, como o ruído da fonte de alimentação dos amplificadores operacionais, o ruído de corrente e o ruído térmico da rede resistiva no ganho dos circuitos do amplificador operacional.
3. Ruído de tensão e corrente do amplificador operacional: As densidades espectrais de tensão e corrente são mostradas na figura a seguir:
Em circuitos de amplificadores operacionais, o ruído de corrente é dividido em ruído de corrente em fase e ruído de corrente inversor. O ruído de corrente em fase i+ flui através da resistência interna da fonte Rs, gerando um ruído de tensão equivalente u1 = i+ * Rs. O ruído de corrente inversor i- flui através do resistor equivalente de ganho R para gerar um ruído de tensão equivalente u2 = i- * R. Portanto, quando o valor de RS da fonte de alimentação é grande, o ruído de tensão convertido a partir do ruído de corrente também é muito grande. Assim, para otimizar o ruído, o ruído da fonte de alimentação (incluindo a resistência interna) também é um fator chave para a otimização. A densidade espectral do ruído de corrente não varia com a frequência. Portanto, após ser amplificado pelo circuito, ele, assim como a corrente escura do fotodiodo, compõe o ruído de disparo do fotodetector.
4. O ruído térmico da rede resistiva para o ganho (fator de amplificação) do circuito amplificador operacional pode ser calculado usando a seguinte fórmula:
Entre eles:
k: constante de Boltzmann (1,38 × 10-23 J/K)
T: Temperatura absoluta (K)
R: A resistência (ohms) representa o ruído térmico, que está relacionado à temperatura e ao valor da resistência, e seu espectro é plano. Pode-se observar pela fórmula que quanto maior o valor da resistência de ganho, maior será o ruído térmico. Quanto maior a largura de banda, maior será o ruído térmico. Portanto, para garantir que os valores de resistência e largura de banda atendam aos requisitos de ganho e largura de banda, e, em última análise, também à demanda por baixo ruído ou alta relação sinal-ruído, a seleção dos resistores de ganho precisa ser cuidadosamente considerada e avaliada com base nos requisitos reais do projeto para alcançar a relação sinal-ruído ideal do sistema.
Resumo
A tecnologia de redução de ruído desempenha um papel significativo na melhoria do desempenho de fotodetectores e dispositivos eletrônicos. Alta precisão significa baixo ruído. À medida que a tecnologia exige maior precisão, os requisitos de ruído, relação sinal-ruído e potência de ruído equivalente dos fotodetectores também se tornam cada vez mais rigorosos.
Data da publicação: 22/09/2025