Параметры приемников излучения

Параметрами ПИ обычно называют величины, характеризующие свойства приемника при работе его в определенных условиях и служащие критериями оценки его качества.

Основные параметры ПИ, с которыми наиболее часто приходится иметь дело разработчику ОЭП.

Чувствительность. В общем случае чувствительность приемника — это отношение изменения электрической величины на выходе ПИ, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях.

В зависимости от характеристики излучения различают:

- - чувствительность к потоку излучения s_Fe,

- - чувствительность к световому потоку s_Fv,

- - чувствительность к облученности s_Ee или к освещенности s_Ev.

Токовой чувствительностью s_I называется чувствительность ПИ, у которого измеряемой электрической величиной является сила фототока, а вольтовой s_v — чувствительность при измерении напряжения на выходе ПИ.

Интегральной чувствительностью ПИ называется чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава, а монохроматической чувствительностью s _l — чувствительность к монохроматическому излучению с длиной волны l.

Статическая чувствительность, определяется отношением постоянных значений измеряемых на выходе и на входе ПИ величин, и дифференциальная — отношением малых приращений этих величин.

Иногда чувствительность характеризуется отношением числа квантов, вызвавших фотоэффект, к общему числу квантов излучения, попавших на чувствительную площадку ПИ. Это отношение принято называть квантовой эффективностью или квантовым выходом.

Поскольку сигнал на выходе цепи включения для некоторых типов ПИ может зависеть от напряжения питания (например, у фоторезисторов), иногда вводят понятие об удельной чувствительности, которая представляет собой чувствительность, отнесенную к 1 В питающего напряжения.

Пороговые и шумовые параметры. Помимо полезного регулярного сигнала на выходе ПИ всегда имеется хаотический сигнал со случайными амплитудой и частотой — шум приемника излучения.

Источники шума могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к ПИ и ОЭП в целом. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малые сигналы, которые становятся незаметными на его фоне, т. е. ограничивает предельные возможности прибора. Поэтому разработчики ОЭП стремятся свести шум к минимальному, который часто определяется шумом ПИ. В рационально конструированном ОЭП чувствительность к малым входным сигналам зависит только от уровня собственных шумов ПИ.

Током или напряжением шума ПИ называется среднее квадратическое значение флуктуации тока, протекающего через ПИ, или напряжения на заданной нагрузке в его цепи в указанной полосе частот.

Основные виды шумов для ПИ следующие.

Тепловой шум вызывается хаотическим тепловым движением свободных электронов. Дисперсия его в полосе частот Df определяется по формуле

где k=1,38×10^-23 Дж×К^-1 — постоянная Больцмана; Т — температура приемника; R — его сопротивление.

Дробовый шум определяется тем, что электрический ток является потоком дискретных частиц и зависит от их числа, которое флуктуирует во времени. Протекая по нагрузке R_н, этот флуктуирующий ток создает напряжение, дисперсия которого

где е — заряд электрона; I₀ — среднее значение силы тока; Df — полоса частот.

Спектры теплового и дробового шумов являются равномерными.

Токовый шум. Несколько видов шумов часто объединяют единым термином токовый шум (1/f —шум, избыточный шум). На практике часто принимают следующее выражение для дисперсии токового шума:

где А_T — численная постоянная, значение которой зависит от типа ПИ. Спектр этого шума подчиняется 1/f -зависимости.

Радиационный (фотонный) шум определяется флуктуациями сигнала, попадающего на ПИ, т. е. флуктуациями числа фотонов, приходящих на чувствительный слой как от внешних излучателей, так и от элементов самого ПИ. Кроме того, в тепловых приемниках появляются флуктуации температуры, обусловленные непостоянством процесса теплообмена между чувствительной площадкой и окружающей средой. Последние часто называют тепловыми флуктуациями.

Дисперсия флуктуаций мощности излучения, поступающего от фона, имеющего температуру T_f и коэффициент излучения e_тf, на ПИ площадью А для полосы частот Df описывается выражением вида

где e_т — коэффициент теплового излучения (поглощения) чувствительного слоя ПИ; s — постоянная закона Стефана-Больцмана.

Поскольку ПИ является, в свою очередь, излучателем с температурой Т_пи, то флуктуации «уходящего» от него потока описываются выражением

Общая флуктуация, определяющая дисперсию радиационного шума,

Спектр этого шума равномерный (белый).

Поскольку радиационный шум в значительной степени зависит от параметров источника излучения и условий работы ПИ, он определяет предел чувствительности ПИ. Часто за идеальный ПИ принимают тот, у которого все шумы незначительны по сравнению с радиационным.

Дисперсия напряжения радиационного шума на выходе приемника равна

где s_vf и s_vпи — вольтовые чувствительности ПИ к излучению фона, имеющего температуру T_f, и излучению самого приемника с температурой Т_пи.

Если отдельные виды шумов некоррелированы, то случайные флуктуации вызовут шум, дисперсия которого

Порогом чувствительности приемника F_П в заданной полосе частот называется среднее квадратическое значение первой гармоники действующего на ПИ модулированного потока излучения с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратическое значение первой гармоники напряжения (тока) сигнала равно среднему квадратическому напряжению (току) шума в заданной полосе частот на частоте модуляции потока:

 или  (6.1)

Применительно к фотоэлементам и фотоумножителям величину F_П называют эквивалентом шума.

Иногда порог чувствительности ПИ характеризуют величиной, эквивалентной шумам облученности или освещенности чувствительного слоя Е_П. На практике F_П или Е_П часто определяют, измеряя уровень шумов в схеме включения приемника и выходной сигнал DV, заметно превышающий  и соответствующий потоку DF или облученности DЕ, т.е.

 или

Поскольку шум зависит от ширины полосы частот Df, в которой его измеряют, то F_П зависит от Df. Для более удобного сравнения различных приемников введено понятие порога F_П1 чувствительности ПИ в единичной полосе частот— отношение величины F_П к полосе частот:

Величина, обратная F_П1, называется обнаружительной способностью приемника:

D = 1/Ф_П1

Следует отметить, что этот параметр неоднозначен для различных конструкций ПИ одного и того же типа, так как для различных площадей А чувствительного слоя параметры s_v и непостоянны.

Поэтому более удобно пользоваться удельной обнаружительной способностью приемника:

 (6.2)

Следует указать, что все перечисленные параметры рассматриваются по отношению к излучателю с одной и той же температурой и при постоянной температуре чувствительного слоя ПИ.

Если F_П, D и D^* измеряются по отношению к монохроматическому излучению, то вводится индекс, обозначающий длину волны, например D^*_l.

Поскольку величины s_v и являются в общем случае функциями длины волны l, то и D^* также является функцией l. Наиболее часто встречается случай, когда радиационный шум гораздо меньше других составляющих шума приемника, т.е. зависимостью от l можно пренебречь. Для этого случая

Если же преобладает радиационный шум, например, порог чувствительности приемника определяется радиационным шумом излучения фона, поступающего на чувствительный слой («BLIP-detector» или «background-limited infrared photodetector»), то удельная обнаружительная способность D^*_BLIP (l) в этом случае определяется как

В некоторых расчетах удобно пользоваться приближением, описываемым линейной зависимостью монохроматической обнаружительной способности D_l^* от длины волны l, т.е.

где l_max — длина волны, на которой D_l^* принимает максимальное значение — D^*_lmax.

Если на приемник падает поток от черного тела с температурой Т, имеющий спектр F_lT, то зная D_l^* для максимума F_lT, можно рассчитать обнаружительную способность приемника по отношению к этому черному телу

Если порог чувствительности ПИ определяется шумами фона, попадающего на чувствительный слой ПИ в пределах угла, который он «просматривает» (радиационный порог чувствительности F_{П рад}), параметр D^* в этих случаях находят для полусферического телесного угла 2p и пересчитывают для используемого в каждом конкретном случае угла W_ПИ. Например, для ПИ с квадратной чувствительной площадкой и угловым полем 2w_ПИ

Инерционность. Эта характеристика ПИ оценивается его постоянной времени t, в качестве которой принимают время нарастания t_0,1...0,9 — интервал времени между точками переходной характеристики ПИ, за который сигнал на выходе ПИ изменяется при внезапном облучении от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения при длительном облучении, или время спада t_0,9...0,1 — интервал времени уменьшения сигнала после прекращения облучения ПИ от 0,9 до 0,1 его установившегося значения.

Постоянная времени t определяет граничную частоту фотоприемника f_гр — частоту синусоидально модулированного потока излучения, падающего на ПИ, при которой его чувствительность снижается до значения 0,707 чувствительности при немодулированном излучении.

Сопротивление приемника. Этот параметр особенно важен при выборе или расчете цепи включения ПИ. Зная его, можно найти оптимальное сопротивление нагрузки ПИ. Для различных ПИ используются разные параметры, с помощью которых можно оценить сопротивление чувствительного элемента. Например, для фоторезисторов в качестве параметра рассматривается темновое сопротивление R_T — сопротивление приемника в случае отсутствия облучения приемника. Для фотодиодов обычно приводят значение дифференциального сопротивления R_Д, которое равно отношению малых приращений напряжения сигнала к фототоку при заданных эксплуатационных условиях, например при заданной облученности ПИ.

При согласовании приемника с последующей электронной схемой разработчику приходится учитывать величину R_T (или R_Д) при выборе типа усилителя и схемы связи приемника с усилителем.

Спектральные параметры (параметры спектральной характеристики). Коротковолновая и длинноволновая границы спектральной чувствительности ПИ определяются как наименьшая и наибольшая, соответственно, длины волн монохроматического излучения, при которых чувствительность ПИ равна 0,1 ее максимального значения.

Эффективность приема излучения в диапазоне l₁...l₂ можно оценить с помощью величины, называемой коэффициентом использования или спектральным КПД приемника:

где s_l — спектральная характеристика чувствительности ПИ; F_l —спектральная плотность потока излучения, падающего на ПИ.

Строго говоря, коэффициент использования можно считать параметром ПИ только в том случае, если рассматривать его по отношению к какому-то определенному источнику излучения, например, эталонному.

Геометрические, электрические и другие параметры. Для оценки конструктивных особенностей ПИ при работе его в составе ОЭП необходимо знать следующие его параметры:

- - площадь и конфигурация чувствительного слоя,

- - оптические свойства (коэффициенты поглощения, преломления и отражения),

- - емкость,

- - напряжение питания (рабочее напряжение),

- - температура чувствительного слоя и ряд других параметров, описывающих его свойства.

Отдельные группы параметров характеризуют специфические свойства различных типов приемников, например, фоторезисторов, координатных фотоприемников и др.