Cách giảm nhiễu của bộ cảm biến quang

Cách giảm nhiễu của bộ cảm biến quang

Nhiễu của các bộ tách sóng quang chủ yếu bao gồm: nhiễu dòng điện, nhiễu nhiệt, nhiễu xung, nhiễu 1/f và nhiễu băng rộng, v.v. Phân loại này chỉ mang tính tương đối sơ lược. Lần này, chúng tôi sẽ giới thiệu các đặc điểm và phân loại nhiễu chi tiết hơn để giúp mọi người hiểu rõ hơn tác động của các loại nhiễu khác nhau đến tín hiệu đầu ra của bộ tách sóng quang. Chỉ khi hiểu rõ nguồn gốc của nhiễu, chúng ta mới có thể giảm thiểu và cải thiện nhiễu của bộ tách sóng quang tốt hơn, từ đó tối ưu hóa tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của hệ thống.

Nhiễu xung là sự dao động ngẫu nhiên gây ra bởi bản chất rời rạc của các hạt tải điện. Đặc biệt trong hiệu ứng quang điện, khi các photon va chạm với các thành phần nhạy sáng để tạo ra electron, sự tạo ra các electron này là ngẫu nhiên và tuân theo phân bố Poisson. Đặc tính phổ của nhiễu xung là phẳng và không phụ thuộc vào biên độ tần số, do đó nó còn được gọi là nhiễu trắng. Mô tả toán học: Giá trị trung bình bình phương (RMS) của nhiễu xung có thể được biểu diễn như sau:

Trong số đó:

e: Điện tích electron (xấp xỉ 1,6 × 10⁻¹⁹ coulomb)

Idark: Dòng điện tối

Δf: Băng thông

Nhiễu xung (shot noise) tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện và ổn định ở mọi tần số. Trong công thức, Idark biểu thị dòng điện tối của điốt quang. Tức là, khi không có ánh sáng, điốt quang có nhiễu dòng điện tối không mong muốn. Là nhiễu vốn có ở phần đầu của bộ tách sóng quang, dòng điện tối càng lớn thì nhiễu của bộ tách sóng quang càng lớn. Dòng điện tối cũng bị ảnh hưởng bởi điện áp phân cực hoạt động của điốt quang, tức là điện áp phân cực hoạt động càng lớn thì dòng điện tối càng lớn. Tuy nhiên, điện áp phân cực hoạt động cũng ảnh hưởng đến điện dung tiếp giáp của bộ tách sóng quang, do đó ảnh hưởng đến tốc độ và băng thông của bộ tách sóng quang. Hơn nữa, điện áp phân cực càng lớn thì tốc độ và băng thông càng lớn. Do đó, xét về hiệu suất nhiễu xung, dòng điện tối và băng thông của điốt quang, cần thiết kế hợp lý theo yêu cầu thực tế của dự án.

2. Nhiễu nhấp nháy 1/f

Nhiễu 1/f, còn được gọi là nhiễu nhấp nháy, chủ yếu xảy ra ở dải tần số thấp và liên quan đến các yếu tố như khuyết tật vật liệu hoặc độ sạch bề mặt. Từ biểu đồ đặc tính phổ của nó, có thể thấy rằng mật độ phổ công suất của nó nhỏ hơn đáng kể ở dải tần số cao so với dải tần số thấp, và cứ mỗi 100 lần tăng tần số, mật độ phổ nhiễu giảm tuyến tính 10 lần. Mật độ phổ công suất của nhiễu 1/f tỷ lệ nghịch với tần số, tức là:

Trong số đó:

SI(f): Mật độ phổ công suất nhiễu

I: Hiện tại

f: Tần số

Nhiễu 1/f rất đáng kể ở dải tần số thấp và yếu dần khi tần số tăng lên. Đặc điểm này khiến nó trở thành nguồn gây nhiễu chính trong các ứng dụng tần số thấp. Nhiễu 1/f và nhiễu băng rộng chủ yếu đến từ nhiễu điện áp của bộ khuếch đại thuật toán bên trong bộ tách sóng quang. Có nhiều nguồn nhiễu khác ảnh hưởng đến nhiễu của bộ tách sóng quang, chẳng hạn như nhiễu nguồn điện của bộ khuếch đại thuật toán, nhiễu dòng điện và nhiễu nhiệt của mạng điện trở trong mạch khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán.

3. Nhiễu điện áp và dòng điện của bộ khuếch đại thuật toán: Mật độ phổ điện áp và dòng điện được thể hiện trong hình sau:

Trong các mạch khuếch đại thuật toán, nhiễu dòng điện được chia thành nhiễu dòng điện cùng pha và nhiễu dòng điện ngược pha. Nhiễu dòng điện cùng pha i+ chảy qua điện trở trong của nguồn Rs, tạo ra nhiễu điện áp tương đương u1 = i+ * Rs. Nhiễu dòng điện ngược pha I- chảy qua điện trở tương đương của mạch khuếch đại R để tạo ra nhiễu điện áp tương đương u2 = I- * R. Vì vậy, khi RS của nguồn điện lớn, nhiễu điện áp chuyển đổi từ nhiễu dòng điện cũng rất lớn. Do đó, để tối ưu hóa nhiễu, nhiễu của nguồn điện (bao gồm cả điện trở trong) cũng là một hướng quan trọng cần tối ưu hóa. Mật độ phổ của nhiễu dòng điện cũng không thay đổi theo sự thay đổi tần số. Vì vậy, sau khi được mạch khuếch đại, nó, giống như dòng điện tối của điốt quang, tạo thành nhiễu xung của bộ tách sóng quang.

4. Nhiễu nhiệt của mạng điện trở đối với độ khuếch đại (hệ số khuếch đại) của mạch khuếch đại thuật toán có thể được tính bằng công thức sau:

Trong số đó:

k: Hằng số Boltzmann (1,38 × 10⁻²³ J/K)

T: Nhiệt độ tuyệt đối (K)

R: Điện trở (ohm) gây nhiễu nhiệt, liên quan đến nhiệt độ và giá trị điện trở, và phổ của nó phẳng. Có thể thấy từ công thức rằng giá trị điện trở khuếch đại càng lớn thì nhiễu nhiệt càng lớn. Băng thông càng lớn thì nhiễu nhiệt cũng càng lớn. Do đó, để đảm bảo giá trị điện trở và giá trị băng thông đáp ứng cả yêu cầu về độ khuếch đại và yêu cầu về băng thông, và cuối cùng cũng đòi hỏi độ nhiễu thấp hoặc tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao, việc lựa chọn điện trở khuếch đại cần được xem xét và đánh giá cẩn thận dựa trên các yêu cầu thực tế của dự án để đạt được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu lý tưởng của hệ thống.

Bản tóm tắt

Công nghệ cải thiện nhiễu đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của các bộ tách sóng quang và thiết bị điện tử. Độ chính xác cao đồng nghĩa với nhiễu thấp. Khi công nghệ đòi hỏi độ chính xác cao hơn, các yêu cầu về nhiễu, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và công suất nhiễu tương đương của các bộ tách sóng quang cũng ngày càng cao hơn.