Làm thế nào để giảm tiếng ồn của máy dò quang

Làm thế nào để giảm tiếng ồn của máy dò quang

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

Nhiễu xung là một dao động ngẫu nhiên gây ra bởi bản chất rời rạc của các hạt mang điện. Đặc biệt trong hiệu ứng quang điện, khi các photon va chạm với các thành phần nhạy sáng để tạo ra các electron, sự tạo ra các electron này là ngẫu nhiên và tuân theo phân phối 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 căn bậc hai trung bình (RMS) của nhiễu xung có thể được biểu thị như sau:

Trong số đó:

e: Điện tích điện tử (khoảng 1,6 × 10-19 coulomb)

Idark: Dòng điện tối

Δf: Băng thông

Tiếng ồn bắn tỷ lệ thuận với độ lớn của dòng điện và ổn định ở mọi tần số. Trong công thức, Idark biểu thị dòng điện tối của điốt quang. Nghĩa là, khi không có ánh sáng, điốt quang có tiếng ồn dòng điện tối không mong muốn. Là tiếng ồn vốn có ở đầu trước của bộ tách sóng quang, dòng điện tối càng lớn thì tiếng ồn của bộ tách sóng quang càng lớn. Dòng điện tối cũng bị ảnh hưởng bởi điện áp hoạt động phân cực của điốt quang, nghĩa là điện áp hoạt động phân cực càng lớn thì dòng điện tối càng lớn. Tuy nhiên, điện áp làm việc phân cực 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, về mặt tiếng ồn bắn, dòng điện tối và hiệu suất băng thông của điốt quang, cần tiến hành thiết kế hợp lý theo yêu cầu thực tế của dự án.

2. Tiếng ồn 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 nhiễu, có thể thấy mật độ phổ công suất của nhiễu 1/f ở dải tần số cao nhỏ hơn đáng kể 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

Tôi: Hiện tại

f: Tần số

Nhiễu 1/f rất đáng kể trong dải tần số thấp và yếu dần khi tần số tăng. Đặc điểm này khiến nó trở thành nguồn nhiễu chính trong các ứng dụng tần số thấp. Nhiễu 1/f và nhiễu băng thông 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 của bộ khuếch đại thuật toán, nhiễu dòng điện và nhiễu nhiệt của mạng điện trở trong hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại thuật toán.

3. Tiếng ồn điện áp và dòng điện của bộ khuếch đại hoạt động: Mật độ phổ điện áp và dòng điện được thể hiện trong hình sau:

Trong mạch khuếch đại thuật toán, nhiễu dòng điện được chia thành nhiễu dòng điện cùng pha và nhiễu dòng điện đảo ngược. Nhiễu dòng điện cùng pha i+ chạy qua điện trở trong của nguồn Rs, tạo ra nhiễu điện áp tương đương u1= i+*Rs. Nhiễu dòng điện đảo ngược I- chạy qua điện trở tương đương độ lợi 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 cho nhiễu tốt hơn, nhiễu nguồn điện (bao gồm cả điện trở trong) cũng là một hướng quan trọng để tối ưu hóa. Mật độ phổ của nhiễu dòng điện cũng không thay đổi theo sự thay đổi tần số. Do đó, sau khi được khuếch đại bởi mạch, nó, giống như dòng điện tối của điốt quang, hình thành toàn diện nhiễu xung của bộ tách sóng quang.

4. Tiếng ồn nhiệt của mạng điện trở đối với độ khuếch đại (hệ số khuếch đại) của mạch khuếch đại hoạt động có thể được tính bằng công thức sau:

Trong số đó:

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

T: Nhiệt độ tuyệt đối (K)

R: Nhiễu nhiệt điện trở (ohm) liên quan đến nhiệt độ và giá trị điện trở, và phổ của nó là phẳng. Từ công thức, có thể thấy 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 là yêu cầu tỷ lệ nhiễu thấp hoặc tín hiệu trên nhiễu cao, việc lựa chọn điện trở khuếch đại cần được cân nhắc và đánh giá cẩn thận dựa trên yêu cầu thực tế của dự án để đạt được tỷ lệ nhiễu 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 bộ tách sóng quang và các thiết bị điện tử. Độ chính xác cao đồng nghĩa với độ 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 bộ tách sóng quang cũng ngày càng cao hơn.