फोटोडिटेक्टरों के शोर को कैसे कम करें

फोटोडिटेक्टरों के शोर को कैसे कम करें

फोटोडिटेक्टरों के शोर में मुख्य रूप से शामिल हैं: करंट शोर, थर्मल शोर, शॉट शोर, 1/f शोर और वाइडबैंड शोर आदि। यह वर्गीकरण केवल एक मोटा-मोटा वर्गीकरण है। इस बार, हम शोर की अधिक विस्तृत विशेषताओं और वर्गीकरणों का परिचय देंगे ताकि सभी को फोटोडिटेक्टरों के आउटपुट सिग्नलों पर विभिन्न प्रकार के शोर के प्रभाव को बेहतर ढंग से समझने में मदद मिल सके। शोर के स्रोतों को समझकर ही हम फोटोडिटेक्टरों के शोर को बेहतर ढंग से कम और सुधार सकते हैं, जिससे सिस्टम के सिग्नल-टू-शोर अनुपात को अनुकूलित किया जा सके।

शॉट नॉइज़ आवेश वाहकों की असतत प्रकृति के कारण होने वाला एक यादृच्छिक उतार-चढ़ाव है। विशेष रूप से प्रकाश विद्युत प्रभाव में, जब फोटॉन प्रकाश संवेदनशील घटकों पर टकराकर इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करते हैं, तो इन इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन यादृच्छिक होता है और पॉइसन वितरण के अनुरूप होता है। शॉट नॉइज़ की वर्णक्रमीय विशेषताएँ समतल होती हैं और आवृत्ति परिमाण से स्वतंत्र होती हैं, इसलिए इसे श्वेत शोर भी कहा जाता है। गणितीय विवरण: शॉट नॉइज़ का रूट मीन स्क्वायर (RMS) मान इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

उनमें से:

e: इलेक्ट्रॉनिक आवेश (लगभग 1.6 × 10⁻¹⁹ कूलम्ब)

आईडार्क: डार्क करंट

Δf: बैंडविड्थ

शॉट नॉइज़ करंट के परिमाण के समानुपाती होता है और सभी आवृत्तियों पर स्थिर रहता है। सूत्र में, Idark फोटोडायोड के डार्क करंट को दर्शाता है। यानी, प्रकाश की अनुपस्थिति में, फोटोडायोड में अवांछित डार्क करंट नॉइज़ होता है। फोटोडिटेक्टर के सबसे आगे वाले सिरे पर मौजूद अंतर्निहित नॉइज़ के कारण, डार्क करंट जितना अधिक होगा, फोटोडिटेक्टर का नॉइज़ उतना ही अधिक होगा। डार्क करंट फोटोडायोड के बायस ऑपरेटिंग वोल्टेज से भी प्रभावित होता है, यानी बायस ऑपरेटिंग वोल्टेज जितना अधिक होगा, डार्क करंट उतना ही अधिक होगा। हालांकि, बायस ऑपरेटिंग वोल्टेज फोटोडिटेक्टर की जंक्शन कैपेसिटेंस को भी प्रभावित करता है, जिससे फोटोडिटेक्टर की गति और बैंडविड्थ पर असर पड़ता है। इसके अलावा, बायस वोल्टेज जितना अधिक होगा, गति और बैंडविड्थ उतनी ही अधिक होगी। इसलिए, फोटोडायोड के शॉट नॉइज़, डार्क करंट और बैंडविड्थ प्रदर्शन के संदर्भ में, वास्तविक परियोजना आवश्यकताओं के अनुसार उचित डिज़ाइन किया जाना चाहिए।

2. 1/f झिलमिलाहट शोर

1/f शोर, जिसे फ़्लिकर शोर भी कहा जाता है, मुख्य रूप से निम्न आवृत्ति श्रेणी में होता है और यह सामग्री दोष या सतह की स्वच्छता जैसे कारकों से संबंधित है। इसके स्पेक्ट्रल विशेषता आरेख से यह देखा जा सकता है कि उच्च आवृत्ति श्रेणी में इसकी शक्ति स्पेक्ट्रल घनत्व निम्न आवृत्ति श्रेणी की तुलना में काफी कम है, और आवृत्ति में प्रत्येक 100 गुना वृद्धि के लिए, स्पेक्ट्रल घनत्व शोर रैखिक रूप से 10 गुना घट जाता है। 1/f शोर का शक्ति स्पेक्ट्रल घनत्व आवृत्ति के व्युत्क्रमानुपाती होता है, अर्थात्:

उनमें से:

SI(f): शोर शक्ति स्पेक्ट्रल घनत्व

मैं: वर्तमान

एफ: आवृत्ति

1/f शोर निम्न आवृत्ति श्रेणी में महत्वपूर्ण होता है और आवृत्ति बढ़ने के साथ कमजोर होता जाता है। यह विशेषता इसे निम्न आवृत्ति अनुप्रयोगों में हस्तक्षेप का एक प्रमुख स्रोत बनाती है। 1/f शोर और वाइडबैंड शोर मुख्य रूप से फोटोडिटेक्टर के भीतर स्थित ऑपरेशनल एम्पलीफायर के वोल्टेज शोर से उत्पन्न होते हैं। शोर के कई अन्य स्रोत भी हैं जो फोटोडिटेक्टर के शोर को प्रभावित करते हैं, जैसे कि ऑपरेशनल एम्पलीफायर का विद्युत आपूर्ति शोर, धारा शोर और ऑपरेशनल एम्पलीफायर परिपथों के लाभ में प्रतिरोध नेटवर्क का तापीय शोर।

3. ऑपरेशनल एम्पलीफायर का वोल्टेज और करंट शोर: वोल्टेज और करंट की स्पेक्ट्रल डेंसिटी को निम्नलिखित चित्र में दर्शाया गया है:

ऑपरेशनल एम्पलीफायर सर्किट में, करंट नॉइज़ को इन-फेज़ करंट नॉइज़ और इनवर्टिंग करंट नॉइज़ में विभाजित किया जाता है। इन-फेज़ करंट नॉइज़ i+ स्रोत के आंतरिक प्रतिरोध Rs से होकर प्रवाहित होता है, जिससे एक समतुल्य वोल्टेज नॉइज़ u1 = i+ * Rs उत्पन्न होता है। इनवर्टिंग करंट नॉइज़ गेन समतुल्य प्रतिरोधक R से होकर प्रवाहित होता है, जिससे समतुल्य वोल्टेज नॉइज़ u2 = I- * R उत्पन्न होता है। इसलिए, जब पावर सप्लाई का RS अधिक होता है, तो करंट नॉइज़ से परिवर्तित वोल्टेज नॉइज़ भी बहुत अधिक होता है। अतः, बेहतर नॉइज़ के लिए, पावर सप्लाई नॉइज़ (आंतरिक प्रतिरोध सहित) का अनुकूलन भी एक महत्वपूर्ण पहलू है। करंट नॉइज़ का स्पेक्ट्रल घनत्व आवृत्ति में परिवर्तन के साथ नहीं बदलता है। इसलिए, सर्किट द्वारा प्रवर्धित होने के बाद, यह फोटोडायोड के डार्क करंट की तरह, फोटोडिटेक्टर के शॉट नॉइज़ का निर्माण करता है।

4. ऑपरेशनल एम्पलीफायर सर्किट के गेन (एम्प्लीफिकेशन फैक्टर) के लिए प्रतिरोध नेटवर्क के थर्मल शोर की गणना निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है:

उनमें से:

k: बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक (1.38 × 10⁻²³ जूल/के)

T: निरपेक्ष तापमान (केएल)

R: प्रतिरोध (ओम्स) थर्मल शोर तापमान और प्रतिरोध मान से संबंधित है, और इसका स्पेक्ट्रम सपाट होता है। सूत्र से यह स्पष्ट है कि गेन प्रतिरोध का मान जितना अधिक होगा, थर्मल शोर उतना ही अधिक होगा। बैंडविड्थ जितनी अधिक होगी, थर्मल शोर भी उतना ही अधिक होगा। इसलिए, यह सुनिश्चित करने के लिए कि प्रतिरोध मान और बैंडविड्थ मान गेन और बैंडविड्थ दोनों आवश्यकताओं को पूरा करते हैं, और अंततः कम शोर या उच्च सिग्नल-टू-शोर अनुपात की मांग को भी पूरा करते हैं, गेन प्रतिरोधों का चयन वास्तविक परियोजना आवश्यकताओं के आधार पर सावधानीपूर्वक विचार और मूल्यांकन करके किया जाना चाहिए ताकि सिस्टम का आदर्श सिग्नल-टू-शोर अनुपात प्राप्त किया जा सके।

सारांश

फोटोडिटेक्टरों और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के प्रदर्शन को बेहतर बनाने में शोर कम करने की तकनीक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। उच्च परिशुद्धता का अर्थ है कम शोर। जैसे-जैसे तकनीक में उच्च परिशुद्धता की मांग बढ़ती जा रही है, फोटोडिटेक्टरों के लिए शोर, सिग्नल-टू-शोर अनुपात और समतुल्य शोर शक्ति की आवश्यकताएं भी बढ़ती जा रही हैं।