Возможности приемников излучения по регистрации световых потоков, страница 2

                                                                                                                             (4)

Оценим, можно ли такое изменение температуры превратить в электрический сигнал. Если приемником является металлический болометр, с температурным коэффициентом сопротивления 0.5%/град, т.е.  ∆R/R =5▪10-3, то изменение температуры даст изменение сигнала. Пусть мы имеем схему измерения с динамической нагрузкой, тогда ∆U=U▪∆R/R▪∆T=U▪1.1▪10-8. При напряжении питания моста U=10 вольт ∆U=1.1▪10‑7. Популярный инструментальный усилитель AD620 имеем входной шум 13 нВ/Гц0.5 и позволяет реализовать фотодетектор с теоретическим порогом чувствительности для металлического болометра если нет других источников шума c быстродействием около 0.1 сек. Полосу частот можно оценить следующм образом:

 

Пусть в качестве приемника излучения применяется темоэлемент (хромель-копель) с термо-эдс = 40 мкв/град. ∆T для термоэлемента преобразуется в ∆U= термо-эдс▪∆T = 40▪10‑6-2.2▪10‑6=8.8▪10‑11≈10‑11 в. В этом случае для реализации теоретического предела требуется около 130 спаев термопар. Для одного спая порог чувствительности будет в 130 раз хуже теоретического предела. Частотные характеристики шума из-за теплообмена определяются свойствами уравнения теплопроводности. С одной стороны флуктуации температуры с увеличением частоты снижаются в соответствие с постоянной времени = отношению теплоемкости к теплопроводности, с другой стороны аналогично уменьшается изменение температуры ФЧЭ при изменении светового потока. В итоге, при увеличении частоты отношение сигнал/шум будет константой, пока шум усилителя меньше шума сигнала.

                                                                                                                                       (5)

Шум Найквиста одинаково присутствует как в тепловых, так и в квантовых приемниках и имеет равномерную амплитудно-частотную характеристику.

                                                                                                                                       (6)

Для болометра с R=10 Ком шум Найквиста в единичной полосе частот составит 1.287▪10-8 вольт/Гц0.5 и сопоставим с шумом из-за радиационного теплообмена. Для термоэлемента сопротивление, которого порядка 100 ом (для тонкопленочных термоэлементов), шум Найквиста в единичной полосе частот будет в 10 раз меньше. Для пироэлектрического приемника R=109 ом шум Найквиста составит 4мкв. И в порог чувствительности будет давать вклад крутизна пироэлектрического приемника. Для МГ‑32 крутизна S=6000 вольт/ватт.  ∆Ф = UN/S=6.7▪10-10, что на два порядка хуже теоретического предела.

Шумы фотонных приемников складываются из нескольких источников. Если используется фотосопротивление, то нужно оценивать вклад шума Найквиста. Во всех фотонных приемниках генерация и рекомбинация носителей заряда носит статистический характер, связанный со статистикой фотонов. Случайность процесса поглощения приводит к шумовой составляющей выходного сигнала:

            (7)

N – среднее общее число носителей заряда (связано с числом фотонов в секунду), τ – время жизни носителей заряда. В фотодиодах  фотонный шум в 21/2 раз меньше.

Для фотодиодов S=400 мА/Вт (для длины волны 0.5 мкм S=e/hω), при τ=10-12 V=2▪10‑6 и есть смысл использовать сопротивление нагрузки 1 Гом (UN=4мкв).  Ожидаемый сигнал Ufd=4▪1011 вольт/Ватт. Шум UN=(42+22)1/2=4.5▪10-6 вольт. Порог чувствительности фотодиода составит 10-17 Ватт. Если учесть, что hω= 4▪10‑19, то порог чувствительности фотодиода около 100 фотонов в сек. 

При регистрации слабых потоков излучения фототоки приемников могут быть слабыми и будет чувствоваться дискретность протекающего тока (дробовой):

                                                                                                                             (8)

Дробовой шум наиболее сильно проявляется в приемниках с внутренним усилением сигнала: фотоумножителях, лавинных фотодиодах, электронно оптических пробразователях. Например, при R=100 кОм, I=1 ма Vc=1 мкв.

Всем без исключения приемникам присущ модуляционный или 1/f шум. Механизм этого шума не вполне ясен. В радиолампах он известен как фликер эффект. В электронике - это случайный дрейф выходного напряжения электронной схемы:

                                                                                                                             (8)