Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов (1977) (1095911), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Уровень фотонного шума можно снизить, ограничивая поле зрения приемника, путем помещения его чувствительного слоя в охлаждаемый баллон с отверстием, через которое наблюдается излучение цели. Так как полный полусферический угол зрения приемника равен л стерадиан, то величина Ф,*,„, (х„) может быть уменьшена путем деления ее на коэффициент )/ ЙЪ, где Й вЂ” — полный эффективный угол обзора приемника через отверстие в экране.
В общем случае для определения 0 нужно двойное интегрирование. Если же поверхность приемника ламбертовская, т. е полностью диффузна, если он имеет круговую симметрию и его апертурный угол может быть представлен как конус с половинным углом прн вершине О, то И =- лз~п~О, следовательно, 3/ йЪ =- з1п О. Лля приемника без экрана О ==- ЬО' и уменьшения Ф,'„~ (х,) не происходит. ф 9.
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ШУМ Те.иаературный шум наблюдается только в тепловых приемниках. Его причина — флуктуапни температуры приемника, возникающие вследствие статистической природы теплового обмена с окружающей средой. Тепловой обмен может осуществляться главным образом путем излучения и теплопроводности. Если обмен за счет теплопроводности незначителен го сравнению с обменом путем излучения, температурные шумы идентифицируются с фотонными, т.
е. избыточного температурного шума не существует. Следовательно, если приемник имеет температуру Т при площади поверхности а и излучательной способности а = — 1, то за счет теплообмена путем излучения со средой, имеющей температуру Т, и окружающей приемник со стороны передней полусферы, дисперсия флуктуаций в полосе частот электронного тракта Л~ равна ЛФ'=8й~а(Т~~+ Т'4Ь~ . Со стороны задней полусферы чувствительный слой приемника излучения имеет непосредственный контакт с термостатом. Если теплопроводность между приемником и термостатом обозначить через У1Вт-К '), а температуру термостата через Т„, то величина потока тепла, идущего от термостата к приемнику при условии что разность температур ЛТ =- Т, — Т,, невелика и равна ЛФ =- УЛТ = ЛТ/Я, где Я =:= 1/У вЂ” тепловое сопротивление между телом и термо статом. Очевидно, что если бы обмен теплом происходил только за счет излучения, то при Т, = Т,.
У - — — 1/Я = — 4ааТ~ь Дисперсия флуктуаций потока тепла Л<Э', следовательно, будет ЛсФ вЂ” КТч~Я'. Теперь нам необходимо найти дисперсии флуктуаций потока тепла и температуры, отнесенные к единичной полосе частот, т. е. спектральные плотности флуктуаций, которые обозначим для удобства в виде ЛФ~~ и ЛТ~, причем очевидно, что ЛФ', = ЛТ',/Я', поскольку тепловое сопротивление Я от частоты не зависит В соответствии с формулой Эйнштейна — Фаулера средний квжрат отклонения ЛЕ' средней энергии Е приемника равен ЛЕ = ЬТ~~ Я Е~ЛТ), ЛЕ=ЮЛТ, где б — теплоемкость приемника„следовательно, ЛЕ' = — И ~6.
Поскольку непосредственно из формулы ЛЕ =:= б ЛТ следует, что ЛЕ3 = Ез ЛТ2, то ЛТ' =, ДТЬЕ. Для облегчения дальнейшего расчета спектральной плотности ЛТ~ используем аналогию между тепловыми и электрическими явлениями. Нам известно, что в том случае, когда спектральная плотность флуктуаций злектродвижущей силы равна 4АТК, дисперсия флук туаций напряжения на емкости С, соединенной с источником флу" туаций через сопротивление К, равна Ли~ =- 4ЙТЙ 11~(4ъ') 1, причем 1Я4т) представляет собой шуиовую полосу пронускаппя апериодического звена с постоянной времени т:=- ЯС, следовательно, Лп' == йТ/С.
Решим обратную задачу. Если дисперсия флуктуации ЛТ' температуры приемника, имеющего теплоемкость б, определяется некоторым источником флуктуаций со спектральной плотностью ЛT~, соединенным с приемником через тепловое сопротивление Я, то ЛТ = — ЛТ~11/(4т)], где в данном случае т = Яб, следовательно, ЛТ~~ = — 4т ЛТ2 =- 4ЯО ЛТ .
Так как ЛТ = — /~Т~'~б, Л Т~~ -"4И7~Я. то СЛи' — 1~Т. В то же время пз термодинамики известно, что если разность температуры между телами равна ЛТ, то для получения работы используется только величина ЛТ/Т, являющаяся коэффициентом полезного действия обратимого процесса. Следовательно, для тепловых флуктуаций имеем (ЛТ~'Т) ОЛТ -- ИТ, ЛТ'-' — И"/б, а это и следует из формулы Эйнштейна — Фаулсра. Следовательно, КВ~ = Кт7Ф =- 4ЬТУж =- МТЬ, нли в полосе частот электронного тракта Л/ Лф2 Ц Т~У Л/. Заметим, что тепловая флуктуация имеет множителем 'Р в тех случаях, когда электрическая флуктуации имеет множителем просто Т. Это обстоятельство можно объяснить следующим образом. На основании общих статистических соображений используемая для получения работы энергия флуктуаций пропорциональна /гТ вЂ” энергии, приходящейся на одну степень свободы. В случае электрических флуктуаций вся энергия флуктуаций Юш' пригодна для работы, т.
е. Учитывая это выражение, найдем общую дисперсию флуктуа. ций для теплового приемника, испытывающего со стороны перед ней полусферы флуктуации потока излучения, испускаемого окру. жающей средой с температурой Т„а со стороны задней полусферы — флуктуации теплообмепа с термостатом, имеющим температуру Тз = Т1. Очевидно, что для полосы частот Ь~„, величина этой общей дисперсии равна ~ г~У. 8~ (Тб+ Т5) Ц ~ УТ2УЦ Если приемник не охлаждается, т.
е. термостат отсутствует, то Т1 =- Т2 =- Т, У == 0 и ЛФ' = — 16ЬтаТ' Ц„,. Если для уменьшения влияния окружающего фона приемник, охлаждаемый термостатом до температуры Т„защищен диафрагмой, имеющей температуру Т, и ограничивающей поле зрения приемника до малого телесного угла О, то Обычно ~2 — И/и) Ть 4: (И/и) Т~, так как мощность, излучаемая охлаждаемым приемником, мала по сравнению с мощностью ааТ",ЙЪ, получаемой им от фона. В этих условиях температура приемника определяется балансом теплообмена между системами фон — приемник, с одной стороны, и приемник — термостат, с другой стороны, т. е. Т4Р ~ ~ ~Т УР Т~ Следовательно, ® аоТ~ 1Р лт У ЛФ' =-- 8йааТи~ — [1 -~- ' ~ Ь~„,.
удельный пороговый ноток или эквивалентная мощность шума фотоприемника Избыточный температурный шум вносит составляющую г ь а т~ з1/2 я ч/Ас~ й Ф„= ~ 8ЬаТ~ — ' ~ =2Т~Т1 ~/ — —, ит,кт~ У ьт л ' тогда как составляющая, определяемая флуктуациями потока излучения с1)„= — ~ 8АоТ~ — ~ Коэффициент шума ~. <Р„/ф„1 ~ ~Г Т',~(2Т АТ) Если Т, = — 77 К, Т, = 295 К, ЬТ == 2', то Р = 1 + 2,24 = -= З,24.
5 10. МИКРОФОННЫЙ ШУМ Мнкрофонний шум является следствием механических воздействий на приемник излучения и усилитель, приводящих к вибрациям электродов, монтажных проводов и корпуса (подложки) приемника излучения. Эти вибрации в свою очередь вызывают изменения межэлектродпых и монтажных емкостей, а также сопротивления полупроводника, если последний используется в качестве приемника излучения.
Микрофонный шум состоит из ряда резонансных выбросов, спектр которых лежит в диапазоне частот 100 — 7000 Гц. Для уменьшения микрофонного эффекта следует применять специальные вибростойкие лампы и транзисторы, вводить в конструкцию амортизацию предусилителя, использовать заливку монтажа расплавленной смолой, увеличивать жесткость крепления чувствительного элемента приемника излучения в корпусе и на подложке и т. д. Проблема уничтожения или ослабления микрофонного шума является весьма важной, требующей пристального внимания разработчика аппаратуры. э 11. ВЫЧИСЛЕНИЕ И СОГЛАСОВАНИЕ ШУМОВ Прежде чем приступать к вычислению дисперсии общего пума на выходе усилителя и решению вопроса о необходимых мероприятиях, обеспечивающих оптимальное согласование шумов различных элементов тракта оптико-электронного прибора, необходимо внимательно рассмотрегь условия работы прибора и определить виды шумов, которые необходимо учитывать при анализе и расчете. Одним из важных обстоятельств при этом рассмотрении является распределение спектральной плотности шума по частотам, так как в различных областях спектра электрических сигналов определяющими являются шумы различной природы.
Например, для фоторезисторов на самых низких частотах (150---200 Гц) преобладает токовый шум со спектром 1/~, на промежуточных частотах основным является генерационно-рекомбинационный (à — Р) шум, а на сравнительно высоких частотах спектральная плотность шума определяется шумом Джонсона. Соответствующая зависимость представлена иа рис. 331. Для разных типов приемников излуче ния и при разных температурах чувствительного слоя имеет зиа чение та илн иная часть этой общей зависимости. Благодаря наличию всякого рода избыточных шумов эквивалентная мощность шума фотоприемников превышает эквивалентную мощность фотонного шума.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
