Параметри та характеристики приймачів.

Для оцінки технічних властивостей та ефективності ПВ застосовують систему параметрів та характеристик.

Параметр — це величина, що характеризує певну властивість ПВ, та використовується для критерію оцінки його якості.

Характеристика — це залежність певного параметра ПВ при зміні зовнішніх факторів. Характеристику можна виразити формулою, графіком, таблицею.

До основних параметрів ПВ. відносяться:

1. Параметри чутливості ПВ: інтегральна чутливість S_інт, коефіцієнт використання потоку випромінювання χ, ефективна ширина смуги чутливості .

2. Порогові параметри ПВ: струм шуму І_ш, напруга шуму V_ш, пороговий потік в задній смузі (полосі) Ф_п, порогів потік в одиничній смузі, питомий пороговий потік , знаходжувальна здатність D, питома знаходжувальна здатність D^*, радіаційний пороговий потік Ф_рад.п.

3. Часові параметри ПВ: постійна часу ПВ τ, гранична частота модуляції f_гр, темновий опір ПВ R_т, динамічний опір фотодіода R_D, ємність приймача С.

4. Спектральні параметри ПВ: максимум спектральної характеристики λ_max, короткохвильова λ`, та довгохвильова λ´´ — границі спектральної чутливості.

Основні характеристики наступні:

1) Спектральні характеристики і абсолютна спектральна чутливість , відносна спектральна чутливість S(λ) .

2) Вольтові характеристики: вольт – амперна характеристика I(V), вольтова характеристика чутливості S(V), вольтова характеристика струму шуму Iш(V), вольтова характеристика напруги шуму Uш(V) і т.п.

3) Характеристики залежності параметрів ПВ від величини потоку випромінювання: люкс – омічна характеристика R(E), енергетична характеристика фотоструму Iф(Ф), спектральна характеристика напруги фотоструму ПВ Vc(Ф).

4) Фонові характеристики: фонова характеристика опору R(Фф), фонова характеристика чутливості S(Фф), фонова характеристика струму шуму Іш(Фф), фонова характеристика напруги шуму Vш(Фф), фонова характеристика знаходжувальної здатності D٭(Фф) та інші.

5) Частотні характеристики ПВ: частотна характеристика чутливості S(f), частотна характеристика питомої знаходжувальної здатності D٭(f), частотна характеристика спектральної густини шуму Іш(f), аналогічно Vш(f).

6) Температурні, часові та просторові характеристики.

Параметри приймачів випромінювання.

Чутливістю ПВ називають відношення зміни вимірювальної електричної величини за рахунок падаючого на ПВ випромінювання до кількісної міри цього випромінювання в заданих експлуатаційних умовах. В залежності від того, в якій системі фотометричні величини характеризують падаюче випромінювання на яке реагує фотоприймач, розрізняють чутливості по потоку випромінювання Sф,е, світового потоку Sф,v, опроміненості , освітленості . По спектральному складу ПВ розрізняють інтегральну Sінт монохроматичну чутливості. Розрізняють також статичну чутливість, що визначається відносно постійних значень вимірювання на вході і на виході ПВ величин, і диференціальну – як відношення малих приростів цих величин. При експериментальному визначенні чутливості ПВ оговорюють частоту і форму модуляції потоку випромінювання, форму вихідного сигналу, та як від них залежить чутливість.

Інтегральною чутливістю ПВ називають його чутливість до немонохроматичного потоку випромінювання заданого спектрального складу.

Наприклад для ПВ із зовнішнім фотоефектом: ,А/Вт, А/Лм.

Фоторезисторів 1/Вт, 1/Лм.

Фотодіодів,, ,

При вимірюванні чутливості відмічають при якому джерелі воно заміряне, вказують схему включення приймача, частоту модуляції. При використанні не модульованого випромінювання:

А/Вт, А/Лм.

B/Вт, B/Лм.

,

, - загальний струм та напруга,

- темнові струм та напруга.

Під монохроматичною чутливістю ПВ розуміють чутливість ПВ до монохроматичного потоку

В/Вт, В/Лм.

Імпульсною чутливістю ПВ називають відношення амплітудного значення фотоструму (напруги) фотосигналу, утвореного падаючим на приймач імпульсним випромінюванням, до амплітудного значення потоку випромінювання при заданій його формі.

Порогові та шумові параметри приймачів випромінювання. Поряд з корисним сигналом у вихідному колі ПВ спостерігається хаотичний сигнал із випадковою амплітудою і частотою – це так званий ШУМ ПВ. На фоні шуму стає неможливим виділення малих корисних сигналів. Тобто шум струму (напруги) обмежує можливості ПВ.

Причини виникнення шумів можуть бути зовнішніми та внутрішніми: дія тепла, струму ПВ, фотонний характер випромінювання та ін.. Так як шуми (флуктуації) являються процесами випадковими, то їх описують математичним очікуванням (середнім рівнем шуму), середньо квадратичним значенням або дисперсією. Розподіл шуму по спектру частот визначається спектральною густиною шума, що приходиться на одиницю смуги частот.

Струмом шуму ПВ називають середнє квадратичне значення флуктуації струму, в заданій смузі частот. Напруга шуму Uш – середнє квадратичне значення флуктуації напруги на заданому навантаженні кола ПВ і в заданій смузі частот.

В ПВ розглядають наступні види шумів:

Радіаційний (фотонний) шум, який виникає в наслідок квантів, що падають на приймальну площадку ПВ в наслідок дії фону, що отримує приймач, внаслідок флуктуації квантів, що випромінюються самим приймачем.

Дисперсія флуктуацій потоку випромінювання фону із температурою Тф і коефіцієнтом теплового випромінювання Εт,ф, що подає на площадку площею А в полосі частот Δ f така:

.

Загальна флуктуація радіаційного шуму буде такою:

,

.

Дисперсія напруги радіаційного шуму з урахуванням інтегральної чутливості ПВ, щодо випромінюючого фону та до випромінювання самого ПВ .:

Вважається, що шум має рівномірний спектр (білий шум).

Тепловий шум – обумовлений хаотичним тепловим рухом вільних електронів в самому ПВ і має рівномірний спектр. Дисперсія напруги (струму) теплового шуму в смузі визначають по формулі Нейквіста:

,, ,

T,R – температура і опір ПВ.

Дробовий шум – виникає за рахунок того, що електричний струм, являє собою потік заряджених дискретних часток (електронів). Саме за рахунок дискретності заряду електрона виникає дробовий шум, який має рівномірний спектр. Дисперсію цього шуму в полосі частот визначають за формулою Шоттки:

, е = 1,6 ,

- середнє значення струму.

Дробовий шум створює на опорі навантаження напругу шуму із дисперсією:

.

Дисперсія струму дробового шуму в смузі для ФСП (фотоелектронний помножувач) розраховують по формулі:

,

– струм фотокатода,

М – коефіцієнт підсилення ФСП,

(1+В) – коефіцієнт, врахований дробовий шум емітерів (при електростатичному фокусуванні

1+В = 2,5).

В літературі наводять рівняння, визначаючі значення дробового струму лавинних фотодіодів із н/п з власною провідністю. Для домішкових лавинних діодів (струм переносять дірки), (струм переносять електрони).

Генераційно – рекомбінативний шум спостерігається у н/п ПВ і виникає за рахунок випадкового характеру генерації носіїв струму, а також випадкового характеру рекомбінації цих носіїв, тобто флуктуацій числа і часу їх життя. Такий шум залежить від концентрації і часу життя носіїв і збільшується при зростанні напруги живлення .

Шум мерехтіння (флікер – ефект) виникає у фотоелементів за рахунок непостійної чутливості фотокатода в часі, він з’являється при низьких частотах (‹ 100Гц) і може перевищувати дробовий шум на порядок.

А – площа фотокатоду.

Струмовий шум узагальнює декілька типів шуму, які окремо важко розрахувати. Він залежить від стану поверхні, технології виготовлення фото чутливого шару, від якості контактів та струмових витрат витоків.

В – коефіцієнт, залежний від ПВ (В≈ ),

R – опір приймача,

- струм приймача,

- частота модуляції.

При малих частотах модуляції цей шум може на порядок перевищувати інші шуми.(). При він стає істотно малих.

Сумарний шум: .

Пороговий потік Фп ПВ в задній смузі називають середнє квадратичне значення Ф_П синусоїдально модульованого потоку випромінювання джерела сигналу із заданим спектральним розподілом, при якому середнє квадратичне значення напруги (струму) фото сигналу дорівнює середньому квадратичному значенню напруги (струму) шуму в задній смузі частот.

, або

Пороговим значенням потоку ПВ в одиничній смузі частот Фп1 називають середнє квадратичне значення діючого на ПВ синусоїдального сигналу із заданим спектральним розподілом, при якому середнє квадратичне значення напруги (струму) фотоструму дорівнює середньо квадратичнеому значенню напруги (струму) шуму в одиничній смузі частот.

.

Питомим пороговим потоком Ф ٭ називають порогів потік Фп, віднесений до одиничної смуги частот та одиничної приймальної площадки ПВ (А).

, одиниця Вт/ .

В якості ефективної смуги пропускання , як правило беруть еф вимірювального тракту (Гц).

де К() – функція що визначає залежність коефіцієнта підсилення від частоти – коефіцієнт підсилення на резонансній частоті. Величина D, зворотна до порогового потоку ПВ в задній смузі частот, називають знаходжу вальною здатністю.

(1/Вт),.

Питома знаходжу вальна здатність D٭ визначається так:

.

Часові параметри приймачів випромінювання. Власні постійні часу ПВ – τв.п,τн.

τв.п – інтервал часу після припинення дії світлового потоку, коли експоненційний склад напруги фотоструму змінюється в е раз.

Τн – час, після початку дії випромінювання, коли напруга фотосигналу досягає долі 1-1/е = 0,63 в свого максимального значення. Розкид значень τв.п та τн для різних фотоприймачів складає 5 - 10%.

 

Глава 2.2