फोटोडिटेक्टरों का शोर कैसे कम करें

फोटोडिटेक्टरों का शोर कैसे कम करें

फोटोडिटेक्टरों के शोर में मुख्य रूप से शामिल हैं: धारा शोर, तापीय शोर, शॉट शोर, 1/f शोर और वाइडबैंड शोर, आदि। यह वर्गीकरण अभी अपेक्षाकृत कठिन है। इस बार, हम फोटोडिटेक्टरों के आउटपुट सिग्नल पर विभिन्न प्रकार के शोर के प्रभाव को बेहतर ढंग से समझने में सभी की मदद करने के लिए अधिक विस्तृत शोर विशेषताओं और वर्गीकरणों का परिचय देंगे। शोर के स्रोतों को समझकर ही हम फोटोडिटेक्टरों के शोर को बेहतर ढंग से कम और बेहतर कर सकते हैं, जिससे सिस्टम के सिग्नल-टू-शोर अनुपात का अनुकूलन हो 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-संवेदी घटकों से टकराकर इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करते हैं, तो इन इलेक्ट्रॉनों की उत्पत्ति यादृच्छिक होती है और पॉइसन वितरण के अनुरूप होती है। शॉट नॉइज़ की वर्णक्रमीय विशेषताएँ समतल होती हैं और आवृत्ति परिमाण से स्वतंत्र होती हैं, इसलिए इसे श्वेत नॉइज़ भी कहा जाता है। गणितीय विवरण: शॉट नॉइज़ का वर्ग माध्य मूल (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 शोर धारा के परिमाण के समानुपाती होता है और सभी आवृत्तियों पर स्थिर होता है। सूत्र में, Idark फोटोडायोड की डार्क करंट को दर्शाता है। अर्थात्, प्रकाश की अनुपस्थिति में, फोटोडायोड में अवांछित डार्क करंट शोर होता है। फोटोडिटेक्टर के बिल्कुल सामने के सिरे पर अंतर्निहित शोर के कारण, डार्क करंट जितना बड़ा होता है, फोटोडिटेक्टर का शोर भी उतना ही अधिक होता है। डार्क करंट फोटोडायोड के बायस ऑपरेटिंग वोल्टेज से भी प्रभावित होता है, अर्थात, बायस ऑपरेटिंग वोल्टेज जितना बड़ा होता है, डार्क करंट उतना ही अधिक होता है। हालाँकि, बायस कार्यशील वोल्टेज फोटोडिटेक्टर की जंक्शन कैपेसिटेंस को भी प्रभावित करता है, जिससे फोटोडिटेक्टर की गति और बैंडविड्थ प्रभावित होती है। इसके अलावा, बायस वोल्टेज जितना अधिक होगा, गति और बैंडविड्थ उतनी ही अधिक होगी। इसलिए, फोटोडायोड के शॉट शोर, 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 झिलमिलाहट शोर भी कहा जाता है, मुख्यतः निम्न-आवृत्ति परास में होता है और यह पदार्थ के दोषों या सतह की स्वच्छता जैसे कारकों से संबंधित होता है। इसके वर्णक्रमीय अभिलक्षणिक आरेख से, यह देखा जा सकता है कि इसका घात वर्णक्रमीय घनत्व उच्च-आवृत्ति परास में निम्न-आवृत्ति परास की तुलना में काफी कम है, और आवृत्ति में प्रत्येक 100 गुना वृद्धि पर, वर्णक्रमीय घनत्व शोर रैखिक रूप से 10 गुना कम हो जाता है। 1/f शोर का घात वर्णक्रमीय घनत्व आवृत्ति के व्युत्क्रमानुपाती होता है, अर्थात:

उनमें से:

SI(f) : शोर शक्ति वर्णक्रमीय घनत्व

I: वर्तमान

f: आवृत्ति

1/f शोर निम्न-आवृत्ति परास में महत्वपूर्ण होता है और आवृत्ति बढ़ने पर कमज़ोर हो 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 अंदर ऑपरेशनल एम्पलीफायर के वोल्टेज शोर से उत्पन्न होते हैं। शोर के कई अन्य स्रोत भी हैं जो फोटोडिटेक्टरों के शोर को प्रभावित करते हैं, जैसे ऑपरेशनल एम्पलीफायरों का पावर सप्लाई शोर, करंट शोर, और ऑपरेशनल एम्पलीफायर सर्किट के लाभ में प्रतिरोध नेटवर्क का थर्मल शोर।

3. ऑपरेशनल एम्पलीफायर का वोल्टेज और करंट शोर: वोल्टेज और करंट स्पेक्ट्रल घनत्व निम्नलिखित चित्र में दिखाए गए हैं:

ऑपरेशनल एम्पलीफायर सर्किट में, करंट शोर को इन-फेज करंट शोर और इनवर्टिंग करंट शोर में विभाजित किया जाता है। इन-फेज करंट शोर i+ स्रोत के आंतरिक प्रतिरोध Rs से होकर बहता है, जिससे एक समतुल्य वोल्टेज शोर u1= i+*Rs उत्पन्न होता है। I- इनवर्टिंग करंट शोर लाभ समतुल्य प्रतिरोधक R से होकर बहता है और समतुल्य वोल्टेज शोर u2= I-*R उत्पन्न करता है। इसलिए जब बिजली आपूर्ति का RS बड़ा होता है, तो करंट शोर से परिवर्तित वोल्टेज शोर भी बहुत बड़ा होता है। इसलिए, बेहतर शोर के लिए अनुकूलन करने हेतु, बिजली आपूर्ति शोर (आंतरिक प्रतिरोध सहित) भी अनुकूलन की एक महत्वपूर्ण दिशा है। करंट शोर का वर्णक्रमीय घनत्व आवृत्ति परिवर्तनों के साथ भी नहीं बदलता है

4. परिचालन एम्पलीफायर सर्किट के लाभ (प्रवर्धन कारक) के लिए प्रतिरोध नेटवर्क के थर्मल शोर की गणना निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है:

उनमें से:

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

T: निरपेक्ष तापमान (K)

R: प्रतिरोध (ओम) ऊष्मीय शोर तापमान और प्रतिरोध मान से संबंधित है, और इसका स्पेक्ट्रम समतल है। सूत्र से देखा जा सकता है कि लाभ प्रतिरोध मान जितना बड़ा होगा, ऊष्मीय शोर उतना ही अधिक होगा। बैंडविड्थ जितना बड़ा होगा, ऊष्मीय शोर भी उतना ही अधिक होगा। इसलिए, यह सुनिश्चित करने के लिए कि प्रतिरोध मान और बैंडविड्थ मान लाभ और बैंडविड्थ दोनों आवश्यकताओं को पूरा करते हैं, और अंततः कम शोर या उच्च सिग्नल-टू-शोर अनुपात की भी मांग करते हैं, सिस्टम के आदर्श सिग्नल-टू-शोर अनुपात को प्राप्त करने के लिए वास्तविक परियोजना आवश्यकताओं के आधार पर लाभ प्रतिरोधों के चयन पर सावधानीपूर्वक विचार और मूल्यांकन करने की आवश्यकता है।

सारांश

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