Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов (1977) (1095911), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Для глубокоохлаждаемых фоторезисторов из примесного германия это превышение на частотах выше 150 Гц незначительно. Для фоторезисторов на основе халькогенидов свинца (РЬЬ, РЬЯе, РЬТе) при охлаждении превышение составляет 4 — 5 раз, а при отсутствии охлаждения (РЬБ) увеличивается до 15- — 25 раз. Близкие знай/ави†чения коэффициента превышения имеют фоторезисторы из антимонида индия, а эквивалентная мощность шума фотовольтаических приемников на основе 1пЬЬ приближается к теоретическому пределу. пег Некоторые типы тепловых прием- ников излучения имеют характериРис.
ЗЗ1. Риспрсдслепие шумов стики, близкие к пределу чувствипо спектРУ злсктРического си- тЕЛЬНОСтн ОПрсдЕЛяЕМОМу фатОННЫМ шумом, большей частью при очень глубоком охлаждении (3 — 4 К). К этим приемникам относятся, в частности, германиевые боло- метры при температуре жидкого гелия.
Для термоэлемента преобладающим шумом является шум Джонсона его омическго сопротивления и флуктуации напряжения, вызванные температурным шумом. Болометр, кроме этих шумов, генерирует токовый шум, характерный для полупроводников, но появляющийся также и в том случае, когда ток проходит через очень тонкую металлическую проволоку или пленку.
ДЛЯ фОТОЭМИССиОНных Приемнихоя ОСновнЫМ ШУМОМ ЯВЛЯЕТСЯ дробовой шум фототока, который существенно больше фотонного шума, если катод не охлаждается. Предел чувствительности опре деляется, таким образом, дробовым шумом темпового тока. Темновой ток полностью обусловлен термоэлектрониой эмиссией. При охлаждении жидким воздухом темновой ток серебрянокислородно цезиевого фотокатода может уменьшиться до величины 5 10 '~ А. Дробовой шум этого тока лишь несколько болыне фотонного шума излучения окружающей среды, находящейся при комнатной температуре. Однако для устранении шума Джонсона в этом случае требуется сопротивление нагрузки, превышающее 10~ Ом, практически невьшолнимо. Джонсоиовский шум сопротивления 2,5 Х 10'и Ом примерно на порядок превышает дробовой шум темпового тока.
Эта проблема решается в фотоумножителе, коэффициент умножения у которого достигает 104 — 106. Процесс умножения вносит дополнительные шумы, однако превышение шума фотоумножителя над дробовым составляет примерно 15%, т. е. этим превьппением можно пренебречь. При охлаждении до 195 К ( — 78' С) было достигнуто значение темпового тока с фото- катода ФЭУ порядка 10 '~ А. Решение вопроса об оптимальном сочетании шумов приемника излучении с усилптелем и входной цепью требует вычисления дисперсии шума в одной и той же точке схемы, например иа выходе усилителя.
Выше уже рассматривались методы вычисления дисперсии различных шумов, генерируемых приемником излучения, входной цепью и самим усилителем па выходе. В дополнение к этому следует обратить внимание на расчет дисперсии фотонного шума. Если известна мощность мопохроматического источника излучения, эквивалентная мощности фотонного шума, причем длина волны, на которой задана эта мощность, соответствует максимуму спектральной чувствительности приемника 5 (Х ) =- 5 „то дисперсия напряжения фотонного шума на выходе усилителя 2 2 2 Я 2 2 * 2 и .ф ==3„-КеФ Р') =~-./(о1Фп(лц)~ аЛ/ где .ʄ— максимальное значение коэффициента усиления усилителя и входной цепи; а — площадь приемника излучения, см~; Я „— максимальное значение спектральной чувствительности приемника излучения, В. Вт ~; Л/„, — шумовая полоса пропускания усилителя и входной цепи, Гц; Ф„*(х,) = рФ',, (х,); х,= = Ьс.
104/(АТХ,); х„= 4Щ, для Т =-= 295 К; Х, — длина волны, соответствующая максимуму чувствительности, мкм; р .> 1 — коэффициент, учитывающий увеличение эквивалентной мощности шума для реальных условий работы приемника относительно мощности шума идеального фотонного приемника; Фй„ф(хо) .— — И15хое~ '/8л') (1+ 2/хо+ 2/л'оИ ~ Фди.
т, Ф„„, =-~/ 16йоТ'; Ф„„,=5.10 Вт см Гц для Т == 295К. Если в случае фотоэмиссионного приемника величина чувствительности 5'„, задана в А/Вт, то Кл = гк~~л где ㄠ— сопротивление нагрузки, Ом. Если задано интегральное значение чувствительности 8 в А/лм, то 683$,.„ Ш й н~ ЪЩ> где ~,„и ф„„— коэффициенты использования излучения эталонного источника глазом и данным приемником излучения соответственно. Причем 6=1ч 0)вР) в~1тР) в, где с~ (Х) — относительное спектральное распределение излуче ния источника; Й (Х) — относительная спектральная чувствительность приемника (для глаза Й (Х) --= е (Х) — световая эффективность излучения для стандартного наблюдателя МК01.
В последующих параграфах приведены дополнительные разьяснения некоторых вопросов, вызывающих часто неверные суждения. $12. ПОДАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ШУМА ВХОДНОЙ ЦЕПИ. ШУМ ПРИ КОРРЕКЦИИ ИНЕРЦИОННОСТИ Уже отмечалось, что формула для дисперсии теплового или джонсоновского шума, действующего на входе усилителя ш. т. вх ш/ вх' не может служить основанием для рекомендаций методов его подавления, так как при ф— ос уменьшается не только шум, но и сигнал. Совершенно иной подход к подавлению теплового шума имеет место при рассмотрении совместного действия дробового шума фотоэмиссионного приемника — источника сигнала и теплового шума входной цепи.
Действительно, в этом случае суммарная дисперсия шума на выходе усилителя равна 2 2 2 2 ~4ш =- Иш. др + иш. т = 4АТш. вхвйвхКО ~вше т. е. совместное действие дробового и теплового шума заменено действием теплового шума сопротивления Я„„находящегося при температуре Т Так как Т,„,= Т (20у„+ Т ~Тв), причем вклад дробового шума определяется членом 20~вг„, а вклад теплового шума — членом Т /Т~, то, увеличивая сопротивление нагРУзки гв, можно добитьсЯ сУщественного пРевышениЯ доли дробового шума — шума источника сигнала, т. е. добиться эффекта подавления теплового шума.
При этом нужно обратить вни мание на то, что общая частотная характеристика входной цепи и усилителя должна остаться неизменной, так как ь~ — ~ в„ф в„, (~) 4 = сопв. о Между тем, коэффициент передачи входной цепи (по мощности) 1 ! + 12л~ИВХ вЂ” 1Д2л~хВВ)1В ' в высокочастотной области спектра электрических сигналов, когда 2л1т,„» 1/(2л) т„) „равен 1 1 авх (1) '=" + ( ~~вх) 1 ) 2 1 ~в~ох Г„+ Хвх а если г,„» гв, то (О =- 1/11 + (2Ф' С )Ъ т. е. увеличение г„ приводит к уменьшению сигнала на входе усилителя в области высоких частот. Для компенсации этого уменьшения, т.
е. соблюдения условия Л~ = сопз$, в усилитель должна быть введена соответствующая цепь коррекции, например дифференцирующее звено с коэффициентом передачи 2 1 + (2л~твх)х 1 1+ ( 1т. ~а)' Такое звено было рассмотрено в $ 3 гл. 10. Его совместное действие с входной цепью дает новое значение коэффициента передачи 1 1 1 ах 1 + (2л1твх/а)В ав 1 + 12л~ (ко~а) Свх)х Следовательно, если увеличить сопротивление нагрузки в а раз, т.
е. выбрать г,', === агв, то Квх. днф Щ = ~~ох Щ (1Й~ ) ° Постоянный множитель а' всегда может быть скомпенсирован соответствующим увеличением коэффициента усиления. Условие подавления теплового шума оказывается выполненным, так как при Л~ = сопз1, 7 вх Вхв = То (201огва + Тш/То) = 20'о~„а То поскольку всегда можно выбрать коэффициент а из соотношения 201ог„а » Тш~то. Необходимо иметь в виду, что наличие корректирующего звена в усилителе приводит к относительному увеличению влияния шумов тех элементов схемы, которые включены за входной цепью, например шумов предусилителя.
Действительно, в простейшем случае дисперсии шума на выходе усилителя, определяемая шумом первого каскада, имеет вид где Й,вш в — экигвалептное шумовое сопротивление, Если усилитель имеет прямоугольную частотпу1о характеристику с коэффициентом усиления, равным К, в диапазоне частот от ~, до / и равным нулю вне этого диапазона, то при отсутствии корректирующего звена Нл,ув ~Ч ' 1в 11 В случае коррекции найдем: 2 2 иш. ув. в = 4/~ТОКввв. в(КИа) /1~шуск) Ь 1*(2Л/твх)в д '=1 ~+(2 ~ '!)' 'в 1в Вычисление этого интеграла осуществляется по формуле 1 1+ хв ав — 1 Х дх = — х — агс1д —, ав+ хв а а что дает а~ — 1 Ратвх/а) М , „=а Л/' — агс1и, Если предположить, что а' ",> 1, ~ = 1/(2птв /а), ~, « ~„то найдем Л~ш у,, = Ца (1 — л/4) =0,2а Л~.
Следовательно, Л1ш у, „/Л~ = 0,2а', если а = 10, то Л~ „„И/ = 20, т.е, дисперсия шума на выходе усилителя, связанная с шумом первого каскада, возрастает при коррекции в 20 раз. В некоторых случаях это вполне допустимо, так как речь идет о возрастании дисперсии шума за счет высокочастотной части спектра. Например, для телевидения видность помех на экране существенным образом зависит от их спектрального состава: высокочастотные компоненты в силу падения контрастной чувствительности глаза на мелких деталях и по другим причинам менее заметны, чем низкочастотные.
Видность шумовой помехи на экран~ убывает с возрастанием частоты по экспоненте. Тем пе менее, даже в этом случае приходится переносить цепь коррекции непосред ственно на вход усилителя, т. е. использовать, так называемую сложную противошумовую коррекц1но, предложенную Г. В. БРа уде.
Итак, с вопросом подавления теплового шума дело обстоит куда более сложно, чем это иногда пытаются представить. Например, относительно подавления теплового и|ума можно встретить следующие рассуждения. Как известно, дисперсия теплового шума на выходе усилителя равна 4йт и.„ч и~„„д, ц следовательно, можно найти 2 ПтшК 2иСих Чи — 111 гР, „„= — — агс1д ш. т. Вик 2ЛС ~Яи, + Р Рл~их1'1А Если К,„со, то и",,„,„О, т. е. осуществляется подавление теплового шума. Однако в данном случае суть подавления совершенно иная.
Оно осуществляется при неизменной частотной характеристике усилителя за счет сужения полосы пропускания входной цепи, равной 1/(4т„) = 1/(4С„,.Я,„). В этом случае, когда йи„со, сигнал любой частоты, отличной от нуля, равен нулю. 5 13. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИЕМНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ И ЕГО НАГРУЗКИ Этот вопрос имеет непосредственное отношение к сочетанию фоторезистора с усилителем. При расчете амплитуды гармонического сигнала на выходе усилителя в схеме с фоторезистором было найдено, что максимальная амплитуда сигнала может быть достигнута, если сопротивление нагрузки равно сопротивлению приемника г„ = г при условии, что входное сопротивление усилители г„„ф г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
