Теоретические основы оптико-электронных приборов - Мирошников М.М.
Скачать (прямая ссылка):
f имеют фоторезисторы из антимонида
индия, а эквивалентная мощность шума фотовольтаических приемников на основе InSb приближается к теоретическому пределу.
Некоторые типы тепловых приемников излучения имеют характери-Рис. 331. Распределение шумов стики, близкие к пределу чувстви-
по спектру электрического си- тельности, определяемому фотонным
шумом, большей частью при очень глубоком охлаждении (3—4 К). К этим приемникам относятся, в частности, германиевые болометры 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 приемников основным шумом является дробовой шум фототока, который существенно больше фотонного шума, если катод не охлаждается. Предел чувствительности определяется, таким образом, дробовым шумом темнового тока. Темповой ток полностью обусловлен термоэлектронной эмиссией. При охлаждении жидким воздухом темновой ток серебрянокислородноцезиевого фотокатода может уменьшиться до величины 5 * 10-1 А-Дробовой шум этого тока лишь несколько больше фотонного^шума излучения окружающей среды, находящейся при комнатной температуре. Однако для устранения шума Джонсона в этом случае требуется сопротивление нагрузки, превышающее 1015 Ом, что практически невыполнимо. Джонсоновский шум сопротивления 2,5 х 1013 Ом примерно на порядок превышает дробовой шум
502
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 превышением можно пренебречь. При охлаждении до 195 К (—78^ С) было достигнуто значение темпового тока с фото-катода ФЭУ порядка 10-19 А.
Решение вопроса об оптимальном сочетании шумов приемника излучения с усилителем и входной цепью требует вычисления дисперсии шума в одной и той же точке схемы, например на выходе усилителя. Выше уже рассматривались методы вычисления дисперсии различных шумов, генерируемых приемником излучения, входной цепыо и самим усилителем на выходе.
В дополнение к этому следует обратить внимание на расчет дисперсии фотонного шума.
Если известна мощность монохроматического источника излучения, эквивалентная мощности фотонного шума, причем длина волны, на которой задана эта мощность, соответствует максимуму спектральной чувствительности приемника S (%т) = Smax, то дисперсия напряжения фотонного шума на выходе усилителя
«L. ф = sLx/сЗф2 (К) = SLx/Co [Фп Ы12 а Д/ш,
где Ко — максимальное значение коэффициента усиления усилителя и входной цепи; а — площадь приемника излучения, см2; S^ — максимальное значение спектральной чувствительности приемника излучения, В-Вт-1; Д/ш — шумовая полоса пропускания усилителя и входной цепи, Гц; Ф? (х0) = рФп„ ф (х0); х0 = = hc-104/(kTKo); х0^48/К0 для Т = 295 К; — 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;
Ф"и. ф (*о) = [(15хоеГх°/8л4) (I + 2/х0 -f 2/х2)]1/2 Фпи. т,
Фпи т = ]/~ 16/га75; Фг*и т *=« 5-1СГ11 Вт-см_1-Гц" 1/2
для Т = 295К-
Если в случае фотоэмиссионного приемника величина чувствительности S'm задана в А/Вт, то
Sni = г nSm,
где гп — сопротивление нагрузки, Ом.
Если задано интегральное значение чувствительности S в А/лм,
то
о ___ о 1'83?г,п
171 Р „ И’
Snp
503
где |гл и |пр — коэффициенты использования излучения эталонного источника глазом и данным приемником излучения соответственно. Причем
где ср (X) — относительное спектральное распределение излучения источника; k (Я) — относительная спектральная чувствительность приемника [для глаза k {к) — v (X) — световая эффективность излучения для стандартного наблюдателя МКО].
В последующих параграфах приведены дополнительные разъяснения некоторых вопросов, вызывающих часто неверные суждения.
§ 12. ПОДАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ШУМА ВХОДНОЙ ЦЕПИ.
ШУМ ПРИ КОРРЕКЦИИ ИНЕРЦИОННОСТИ
Уже отмечалось, что фирму л а для дисперсии теплового или джонсоновского шума, действующего на входе усилителя
не может служить основанием для рекомендаций методов его подавления, так как при Свх —> сю 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
т. е. совместное действие дробового и теплового шума заменено действием теплового шума сопротивления /?пх, находящегося при температуре Тш-Эки.
причем вклад дробового шума определяется членом 20i0rHt а вклад теплового шума — членом TJT0, то, увеличивая сопротивление нагрузки г„, можно добиться существенного превышения доли дробового шума — шума источника сигнала, т. е. добиться эффекта подавления теплового шума. При этом нужно обратить внимание на то, что общая частотная характеристика входной цепи и усилителя должна остаться неизменной, так как
