फोटोडिटेक्टर्सचा आवाज कसा कमी करावा

फोटोडिटेक्टर्सचा आवाज कसा कमी करावा

फोटोडिटेक्टर्सच्या नॉईजमध्ये प्रामुख्याने करंट नॉईज, थर्मल नॉईज, शॉट नॉईज, १/एफ नॉईज आणि वाइडबँड नॉईज इत्यादींचा समावेश होतो. हे वर्गीकरण केवळ एक तुलनेने ढोबळ वर्गीकरण आहे. यावेळी, आम्ही नॉईजची अधिक तपशीलवार वैशिष्ट्ये आणि वर्गीकरणे सादर करणार आहोत, जेणेकरून फोटोडिटेक्टर्सच्या आउटपुट सिग्नल्सवर विविध प्रकारच्या नॉईजचा होणारा परिणाम सर्वांना अधिक चांगल्या प्रकारे समजण्यास मदत होईल. केवळ नॉईजचे स्रोत समजून घेतल्यानेच आपण फोटोडिटेक्टर्सचा नॉईज अधिक चांगल्या प्रकारे कमी करू शकतो आणि त्यात सुधारणा करू शकतो, ज्यामुळे सिस्टमचे सिग्नल-टू-नॉईज गुणोत्तर ऑप्टिमाइझ करता येते.

शॉट नॉईज हा चार्ज कॅरिअर्सच्या विविक्त स्वरूपामुळे होणारा एक यादृच्छिक चढउतार आहे. विशेषतः फोटोइलेक्ट्रिक इफेक्टमध्ये, जेव्हा फोटॉन्स फोटोसेन्सिटिव्ह घटकांवर आदळून इलेक्ट्रॉन्स निर्माण करतात, तेव्हा या इलेक्ट्रॉन्सची निर्मिती यादृच्छिक असते आणि ती पॉइसन वितरणाशी सुसंगत असते. शॉट नॉईजची स्पेक्ट्रल वैशिष्ट्ये सपाट आणि वारंवारतेच्या तीव्रतेवर अवलंबून नसतात, आणि म्हणूनच याला व्हाईट नॉईज असेही म्हणतात. गणितीय वर्णन: शॉट नॉईजचे रूट मीन स्क्वेअर (RMS) मूल्य खालीलप्रमाणे व्यक्त केले जाऊ शकते:

त्यांच्यापैकी:

e: इलेक्ट्रॉनिक प्रभार (अंदाजे 1.6 × 10-19 कुलॉम्ब)

आयडार्क: गडद प्रवाह

Δf: बँडविड्थ

शॉट नॉईज हा करंटच्या तीव्रतेच्या प्रमाणात असतो आणि सर्व फ्रिक्वेन्सीवर स्थिर असतो. सूत्रामध्ये, Idark हे फोटोडायोडचा डार्क करंट दर्शवते. म्हणजेच, प्रकाशाच्या अनुपस्थितीत, फोटोडायोडमध्ये नको असलेला डार्क करंट नॉईज असतो. फोटोडिटेक्टरच्या अगदी सुरुवातीच्या टोकावरील हा एक अंगभूत नॉईज असल्यामुळे, डार्क करंट जितका जास्त असतो, तितकाच फोटोडिटेक्टरचा नॉईज जास्त असतो. डार्क करंटवर फोटोडायोडच्या बायस ऑपरेटिंग व्होल्टेजचाही परिणाम होतो, म्हणजेच, बायस ऑपरेटिंग व्होल्टेज जितका जास्त असतो, तितकाच डार्क करंट जास्त असतो. तथापि, बायस वर्किंग व्होल्टेजचा फोटोडिटेक्टरच्या जंक्शन कपॅसिटन्सवरही परिणाम होतो, ज्यामुळे फोटोडिटेक्टरच्या स्पीड आणि बँडविड्थवर प्रभाव पडतो. शिवाय, बायस व्होल्टेज जितका जास्त असतो, तितकाच स्पीड आणि बँडविड्थ जास्त असतो. म्हणून, फोटोडायोडच्या शॉट नॉईज, डार्क करंट आणि बँडविड्थच्या कामगिरीच्या बाबतीत, प्रत्यक्ष प्रोजेक्टच्या गरजेनुसार योग्य डिझाइन केले पाहिजे.

२. १/एफ फ्लिकर नॉईज

१/एफ नॉईज, ज्याला फ्लिकर नॉईज असेही म्हणतात, प्रामुख्याने कमी-फ्रिक्वेन्सी श्रेणीमध्ये उद्भवतो आणि तो पदार्थातील दोष किंवा पृष्ठभागाची स्वच्छता यांसारख्या घटकांशी संबंधित असतो. त्याच्या स्पेक्ट्रल वैशिष्ट्यांच्या आकृतीवरून असे दिसून येते की, त्याची पॉवर स्पेक्ट्रल डेन्सिटी कमी-फ्रिक्वेन्सी श्रेणीपेक्षा उच्च-फ्रिक्वेन्सी श्रेणीमध्ये लक्षणीयरीत्या कमी असते, आणि फ्रिक्वेन्सीमध्ये प्रत्येक १०० पट वाढीसाठी, स्पेक्ट्रल डेन्सिटी नॉईज १० पटींनी रेषीय पद्धतीने कमी होते. १/एफ नॉईजची पॉवर स्पेक्ट्रल डेन्सिटी फ्रिक्वेन्सीच्या व्यस्त प्रमाणात असते, म्हणजेच:

त्यांच्यापैकी:

SI(f) : नॉईज पॉवर स्पेक्ट्रल डेन्सिटी

I: वर्तमान

f: वारंवारता

१/एफ नॉईज कमी-फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये लक्षणीय असतो आणि फ्रिक्वेन्सी वाढल्यावर तो कमी होतो. या वैशिष्ट्यामुळे तो कमी-फ्रिक्वेन्सी ॲप्लिकेशन्समध्ये व्यत्ययाचा एक प्रमुख स्रोत बनतो. १/एफ नॉईज आणि वाइडबँड नॉईज हे प्रामुख्याने फोटोडिटेक्टरमधील ऑपरेशनल ॲम्प्लिफायरच्या व्होल्टेज नॉईजमधून येतात. फोटोडिटेक्टर्सच्या नॉईजवर परिणाम करणारे इतरही अनेक स्रोत आहेत, जसे की ऑपरेशनल ॲम्प्लिफायर्सचा पॉवर सप्लाय नॉईज, करंट नॉईज आणि ऑपरेशनल ॲम्प्लिफायर सर्किट्सच्या गेनमधील रेझिस्टन्स नेटवर्कचा थर्मल नॉईज.

३. ऑपरेशनल अॅम्प्लिफायरमधील व्होल्टेज आणि करंट नॉईज: व्होल्टेज आणि करंटची स्पेक्ट्रल डेन्सिटी पुढील आकृतीत दर्शविली आहे:

ऑपरेशनल अॅम्प्लिफायर सर्किट्समध्ये, करंट नॉईजचे इन-फेज करंट नॉईज आणि इन्व्हर्टिंग करंट नॉईजमध्ये विभाजन होते. इन-फेज करंट नॉईज i+ हा सोर्सच्या अंतर्गत रोध Rs मधून वाहतो, ज्यामुळे u1= i+*Rs इतका समतुल्य व्होल्टेज नॉईज निर्माण होतो. I- हा इन्व्हर्टिंग करंट नॉईज गेन इक्विव्हॅलेंट रेझिस्टर R मधून वाहतो आणि u2= I-* R इतका समतुल्य व्होल्टेज नॉईज निर्माण करतो. त्यामुळे, जेव्हा पॉवर सप्लायचा RS मोठा असतो, तेव्हा करंट नॉईजमधून रूपांतरित होणारा व्होल्टेज नॉईजसुद्धा खूप मोठा असतो. म्हणून, चांगल्या नॉईजसाठी ऑप्टिमायझेशन करण्याकरिता, पॉवर सप्लाय नॉईज (अंतर्गत रोधासह) हा देखील ऑप्टिमायझेशनसाठी एक महत्त्वाचा घटक आहे. करंट नॉईजची स्पेक्ट्रल डेन्सिटी फ्रिक्वेन्सीमधील बदलांनुसार बदलत नाही. त्यामुळे, सर्किटद्वारे अॅम्प्लिफाय झाल्यानंतर, तो, फोटोडायोडच्या डार्क करंटप्रमाणे, एकत्रितपणे फोटोडिटेक्टरचा शॉट नॉईज तयार करतो.

४. ऑपरेशनल ॲम्प्लिफायर सर्किटच्या गेन (ॲम्प्लिफिकेशन फॅक्टर) साठी असलेल्या रेझिस्टन्स नेटवर्कचा थर्मल नॉईज खालील सूत्राचा वापर करून मोजता येतो:

त्यांच्यापैकी:

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

T: निरपेक्ष तापमान (केल्विन)

रोध (ओहम) थर्मल नॉईज हा तापमान आणि रोध मूल्याशी संबंधित असतो आणि त्याचा स्पेक्ट्रम सपाट असतो. सूत्रावरून असे दिसून येते की, गेन रोध मूल्य जितके जास्त असेल, तितका थर्मल नॉईज जास्त असतो. बँडविड्थ जितकी जास्त असेल, तितकाच थर्मल नॉईज जास्त असेल. म्हणून, रोध मूल्य आणि बँडविड्थ मूल्य हे गेन आवश्यकता आणि बँडविड्थ आवश्यकता दोन्ही पूर्ण करतात, आणि अंतिमतः कमी नॉईज किंवा उच्च सिग्नल-टू-नॉईज रेशोची मागणी पूर्ण करतात, हे सुनिश्चित करण्यासाठी, सिस्टीमचा आदर्श सिग्नल-टू-नॉईज रेशो साध्य करण्याकरिता प्रत्यक्ष प्रोजेक्टच्या आवश्यकतांवर आधारित गेन रेझिस्टर्सची निवड काळजीपूर्वक विचारात घेणे आणि तिचे मूल्यांकन करणे आवश्यक आहे.

सारांश

फोटोडिटेक्टर्स आणि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांची कार्यक्षमता वाढविण्यात नॉईज सुधारणा तंत्रज्ञान महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावते. उच्च अचूकता म्हणजे कमी नॉईज. जसजशी तंत्रज्ञानाची मागणी वाढत आहे, तसतसे फोटोडिटेक्टर्सच्या नॉईज, सिग्नल-टू-नॉईज रेशो आणि इक्विव्हॅलेंट नॉईज पॉवरच्या आवश्यकताही अधिकाधिक वाढत आहेत.