Теоретические основы оптико-электронных приборов - Мирошников М.М.
Скачать (прямая ссылка):
Д7г = ДГ|[1/(4т)],
где в данном случае т = <%С, следовательно,
~ат) = 4т XF = те ДТ*.
Так как
дт5 = kfiie,
то
АТ)==4кТ\&.
Заметим, что тепловая флуктуация имеет множителем Г2 в тех случаях, когда электрическая флуктуация имеет множителем просто Т. Это обстоятельство можно объяснить следующим образом. На основании общих статистических соображений используемая для получения работы энергия флуктуаций пропорциональна кТ — энергии, приходящейся на одну степень свободы. В случае электрических флуктуаций вся энергия флуктуаций САи2 пригодна для работы, т. е.
САи? ~кТ.
В то же время из термодинамики известно, что если разность температуры между телами равна АТ, то для получения работы используется только величина A TIT, являющаяся коэффициентом полезного действия обратимого процесса. Следовательно, для тепловых флуктуаций имеем
(АТ/Т) CAT ~ кТ,
т. е.
ДТ1~кТг/е,
а это и следует из формулы Эйнштейна—Фаулера. Следовательно,
Дф2 = АТ)Ш2 = 4 кТ\Ш = \кТ\%, или в полосе частот электронного тракта Д/ш
Дф* = 4/г7,'&Д/ш.
499
Учитывая это выражение, найдем общую дисперсию флуктуаций для теплового приемника, испытывающего со стороны передней полусферы флуктуации потока излучения, испускаемого окру, жающей средой с температурой Т2, а со стороны задней полусферы — флуктуации теплообмена с термостатом, имеющим температуру Т3 ^ 7\. Очевидно, что для полосы частот Д/и величина этой общей дисперсии равна
ДФ2 = 8koa (71 -f Tt) Д/ш I- 4kT\% Д/ш.
Если приемник не охлаждается, т. е. термостат отсутствует, то Тх = Г2 = Т, <§ = 0 и
Дф2 — 16кааТь Д/Ц|.
Если для уменьшения влияния окружающего фона приемник, охлаждаемый термостатом до температуры 7\, защищен диафрагмой, имеющей температуру 1\ и ограничивающей поле зрения приемника до малого телесного угла Й, то
Ц. = [ (2 - ?) Т\ + f 71] + Ш\$.
Обычно
(2-?2/я)71«(й/я)Т?
так как мощность, излучаемая охлаждаемым приемником, мала по сравнению с мощностью aaT\Q!я, 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.
сюТ\ (Q/я) = 9 АТ = $(Т, - Т3).
Следовательно,
aoTi У
ЛГ
ДФ -- 8/«ш72 л [l + 2T2{Ti — T3)] ^ш'
Удельный пороговый поток или эквивалентная мощность шума фотоприемника
Избыточный температурный шум вносит составляющую ФГ= ]’/2 — 27tT, |
500
тогда как составляющая, определяемая флуктуациями потока излучения
Если Тг = 77 К, Т2 = 295 К, АТ ~= 2°, то F = 1 + 2,24 -= 3,24.
Микрофонный 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 межэлектродных 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.
§ 11. ВЫЧИСЛЕНИЕ И СОГЛАСОВАНИЕ ШУМОВ
Прежде чем приступать к вычислению дисперсии общего шума на выходе усилителя и решению вопроса о необходимых мероприятиях, обеспечивающих оптимальное согласование шумов различных элементов тракта оптико-электронного прибора, необходимо внимательно рассмотреть 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 (Г—Р) шум,
Коэффициент шума
/• - - 1 + фГ/ФГ = !+]/'ТУ(2Тг ДГ).
§ 10. МИКРОФОННЫЙ ШУМ
501
а на сравнительно высоких частотах спектральная плотность шума определяется шумом Джонсона. Соответствующая зависимость представлена на рис. 331. Для разных типов приемников излучения и при разных температурах чувствительного слоя имеет значение та или иная часть этой общей зависимости.
Благодаря наличию всякого рода избыточных шумов эквивалентная мощность шума фотоприемников превышает эквивалентную мощность фотонного шума.
Для глубокоохлаждаемых фоторезисторов из примесного германия это превышение на частотах выше 150 Гц незначительно. Для фоторезисторов на основе халькогенидов свинца (PbS, PbSe, РЬТе) при охлаждении превышение составляет 4—5 раз, а при
отсутствии охлаждения (PbS) увеличивается до 15—25 раз. Близкие зна-Шум1 чения коэффициента превышения
