Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства. Энергетический расчет пирометра (фотометра)
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?о-рекомбинационный и тепловой шумы.
Токовый шум ( - шум) обусловлен технологией изготовления фоточувствительного слоя, состоянием поверхности, качеством контактов и токами утечки. Средние квадратические значения тока и напряжения токового шума в узкой области частот описывается выражениями:
, (23)
где - постоянная, зависящая от материала ПОИ (=3•10-12…3•10-7; для сернисто-свинцовых фоторезисторов 10-11);
- среднее значение тока ПОИ, определяемое формулой (17);
- среднее значение частоты в полосе частот;
- сопротивление ПОИ.
Теоретический расчет генерационно-рекомбинационного шума не представляется возможным, так как не известны такие параметры, как время жизни носителей , концентрация носителей , объем фотослоя для конкретных типов ПОИ.
Тепловой шум возникает вследствие хаотического движения свободных электронов в ПОИ. Спектр теплового шума - равномерный (белый). Среднее квадратическое значение шума в полосе частот можно рассчитать по формуле Найквиста:
, (24)
где - постоянная Больцмана (1,38•10-23 Дж•К-1);
- температура ПОИ.
Основными составляющими шума фотодиодов являются токовый, дробовый и тепловой шумы.
Токовый шум сказывается в основном на низких частотах (? 1 кГц).
Дробовый шум возникает вследствие флуктуаций во времени числа электронов, образующих электрический ток. Среднее квадратическое значение дробового шума в полосе частот
, (25)
где - заряд электрона (1,6•10-19 Кл).
(А)
(В)
Основной составляющей шума электровакуумных фотоэлементов и фотоумножителей является дробовый шум, который для электровакуумных фотоэлементов рассчитывается по формуле (25), а для фотоумножителей, с учетом влияния динодов (динод - электрод в фотоэлектронном умножителе и некоторых других электровакуумных приборах, cлужащий для усиления электронного потока за счёт вторичной эмиссии электронов):
(26)
где - суммарный ток фотокатода;
- коэффициент усиления фотоумножителя по току;
- коэффициент, учитывающий увеличение дробового шума за счет динодного умножения (=0,3…4, а для фотоумножителей с электростатической фокусировкой =1,5).
Шумовая погрешность ОЭП определяется не только собственными шумами ПОИ, но и наличием внешних засветок, схемой включения ПОИ, шумами сопротивления нагрузки и первых каскадов предварительного усилителя.
В качестве примера рассмотрим схемы включения ПОИ и предварительный усилитель на основе полевого транзистора (рисунок 8).
Сопротивление нагрузки , как правило, выбирают равным темновому сопротивлению ПОИ , если ? 2 МОм, или принимают = 2 МОм, если > 2 МОм (для фотодиодов, фотоэлементов, фотоумножителей). Пироэлектрические ПОИ и полупроводниковые боломатры (приборы для измерения энергии излучения) включаются в цепь с сопротивлением нагрузки до 50…200 МОм.
При выборе сопротивления нагрузки следует учитывать также постоянную времени инерционного контура, образованного сопротивлением нагрузки и емкостью инерционного контура , образованной емкостью ПОИ , емкостью монтажа и входной емкостью предварительного усилителя :
= (27)
Рисунок 8 - Схемы включения ПОИ и предварительный усилитель на полевом транзисторе: а - фоторезистор; б - фотодиод в фотодиодном режиме; в - фотодиод в фотогальваническом режиме; г - фотоэлемент
Емкость монтажа =(1…5) пФ, емкость полевого транзистора =(2…10) пФ. При таких параметрах и при невысокой частоте модуляции ( кГц) инерционность системы в ряде случаев определяется временем установления нормированной переходной характеристики (постоянной времени) ПОИ .
Постояннае времени фоторезисторов и фотодиодов приводятся в справочной литературе, а постоянные времени фотоумножителей (1…5 нс) и фотоэлементов (10-12 нс) пренебрежимо малы.
С учетом изложенных соображений сопротивление нагрузки и постоянная времени должны удовлетворять условиям:
; (28)
Здесь следует использовать величину чувствительности ПОИ к падающему на него в данном ОЭП излучению заданного ИИ.
Суммарные значения тока и напряжения шума ПОИ с учетом дробового шума фототока:
(31)
(32)
(А)
(В)
Аналогично можно учесть и другие составляющие шума для условий конкретной задачи.
Кроме собственных шумов ПОИ при расчете ОЭП следует учитывать тепловой шум резистора нагрузки и шум активного элемента предварительного усилителя.
Среднее квадратическое значение теплового шума резистора нагрузки в полосе частот :
, (33)
где - температура резистора нагрузки.
Величина шума активного элемента предварительного усилителя может быть взята в справочниках на соответствующие элементы техники. При этом следует учитывать схему включения.
Для полевых транзисторов характерной составляющей является тепловой шум канала, который характеризуется эквивалентным шумовым сопротивлением:
(34)
где - крутизна вольт-амперной характеристики полевого транзистора (типовое ее значение - ?(1…3)•10-3 А/В).
Среднее квадратическое значение напряжения шума полевого транзистора в полосе частот , приведенное к его выходу
, (44)
где - температура полевого транзистора.
Суммарное значение тока и напряжения шума ПОИ, входной цепи и предварительного усилителя в эффективной полосе частот электронного тракта:
(35)
(36)
Пользуясь рассчитанными