Comment réduire le bruit des photodétecteurs

Comment réduire le bruit des photodétecteurs

Le bruit des photodétecteurs comprend principalement le bruit de courant, le bruit thermique, le bruit de grenaille, le bruit en 1/f et le bruit à large bande. Cette classification reste toutefois sommaire. Nous présenterons ici des caractéristiques et des classifications de bruit plus détaillées afin de mieux comprendre l'impact des différents types de bruit sur les signaux de sortie des photodétecteurs. Seule la compréhension des sources de bruit permettra de réduire et d'améliorer le bruit des photodétecteurs, optimisant ainsi le rapport signal/bruit du système.

Le bruit de grenaille est une fluctuation aléatoire due à la nature discrète des porteurs de charge. En particulier, dans l'effet photoélectrique, lorsque des photons frappent des composants photosensibles pour générer des électrons, la génération de ces électrons est aléatoire et suit une distribution de Poisson. Les caractéristiques spectrales du bruit de grenaille sont plates et indépendantes de la fréquence ; on l'appelle donc aussi bruit blanc. Description mathématique : La valeur efficace (RMS) du bruit de grenaille peut être exprimée comme suit :

Parmi eux :

e : Charge électronique (environ 1,6 × 10-19 coulombs)

Idark : Courant sombre

Δf : Bande passante

Le bruit de grenaille est proportionnel à l'intensité du courant et stable à toutes les fréquences. Dans la formule, I_dark représente le courant d'obscurité de la photodiode. Autrement dit, en l'absence de lumière, la photodiode génère un bruit de courant d'obscurité indésirable. Ce bruit étant inhérent à l'entrée du photodétecteur, plus le courant d'obscurité est élevé, plus le bruit du photodétecteur est important. Le courant d'obscurité est également influencé par la tension de polarisation de la photodiode : plus cette tension est élevée, plus le courant d'obscurité est important. Cependant, la tension de polarisation influe aussi sur la capacité de jonction du photodétecteur, affectant ainsi sa vitesse et sa bande passante. De plus, plus la tension de polarisation est élevée, plus la vitesse et la bande passante sont importantes. Par conséquent, en termes de bruit de grenaille, de courant d'obscurité et de bande passante des photodiodes, une conception adaptée aux exigences du projet est essentielle.

2. Bruit de scintillement 1/f

Le bruit en 1/f, également appelé bruit de scintillement, se manifeste principalement dans les basses fréquences et est lié à des facteurs tels que les défauts des matériaux ou la propreté de la surface. Son diagramme spectral montre que sa densité spectrale de puissance est nettement plus faible dans les hautes fréquences que dans les basses fréquences, et que pour chaque augmentation de fréquence d'un facteur 100, la densité spectrale du bruit diminue linéairement d'un facteur 10. La densité spectrale de puissance du bruit en 1/f est inversement proportionnelle à la fréquence.

Parmi eux :

SI(f) : Densité spectrale de puissance du bruit

I : Courant

f : Fréquence

Le bruit en 1/f est significatif aux basses fréquences et s'atténue avec l'augmentation de la fréquence. Cette caractéristique en fait une source majeure d'interférences dans les applications basse fréquence. Le bruit en 1/f et le bruit à large bande proviennent principalement du bruit de tension de l'amplificateur opérationnel intégré au photodétecteur. De nombreuses autres sources de bruit affectent le fonctionnement des photodétecteurs, telles que le bruit d'alimentation des amplificateurs opérationnels, le bruit de courant et le bruit thermique du réseau de résistances dans les circuits d'amplification.

3. Bruit de tension et de courant de l'amplificateur opérationnel : Les densités spectrales de tension et de courant sont représentées sur la figure suivante :

Dans les circuits d'amplificateurs opérationnels, le bruit de courant se divise en bruit de courant en phase et en bruit de courant inverseur. Le bruit de courant en phase (i+) traverse la résistance interne de la source Rs, générant un bruit de tension équivalent u1 = i+ * Rs. Le bruit de courant inverseur (i-) traverse la résistance équivalente de gain R, générant un bruit de tension équivalent u2 = I- * R. Ainsi, lorsque la résistance interne de l'alimentation (RS) est élevée, le bruit de tension issu du bruit de courant est également très important. Par conséquent, pour optimiser le bruit, il est essentiel de maîtriser le bruit de l'alimentation (y compris sa résistance interne). La densité spectrale du bruit de courant est indépendante de la fréquence. Ainsi, après amplification par le circuit, il contribue, à l'instar du courant d'obscurité d'une photodiode, au bruit de grenaille du photodétecteur.

4. Le bruit thermique du réseau de résistances pour le gain (facteur d'amplification) du circuit amplificateur opérationnel peut être calculé à l'aide de la formule suivante :

Parmi eux :

k : constante de Boltzmann (1,38 × 10-23 J/K)

T : Température absolue (K)

La résistance (en ohms) influence le bruit thermique, qui dépend de la température et de sa valeur. Son spectre est plat. La formule montre que plus la résistance de gain est élevée, plus le bruit thermique est important. De même, plus la bande passante est large, plus le bruit thermique est élevé. Par conséquent, pour garantir que la résistance et la bande passante répondent aux exigences de gain et de bande passante, tout en assurant un faible bruit ou un rapport signal/bruit élevé, le choix des résistances de gain doit être soigneusement étudié et évalué en fonction des besoins spécifiques du projet afin d'obtenir le rapport signal/bruit idéal du système.

Résumé

Les technologies de réduction du bruit jouent un rôle essentiel dans l'amélioration des performances des photodétecteurs et des dispositifs électroniques. Une haute précision implique un faible bruit. Face à l'exigence croissante de précision, les performances des photodétecteurs nécessitent des performances toujours plus élevées en termes de bruit, de rapport signal/bruit et de puissance de bruit équivalente.