Измерение шумов

Информация о шумовых характеристиках фотоприёмника или фотоприёмного устройства чаще всего интересует потребителя, а стало быть, и разработчика фотоприёмника в двух аспектах. Во-первых, разработчика интересует среднеквадратичное значение напряжения шума в некоторой заданной полосе частот вокруг несущей частоты сигнала, а поскольку аппаратура, в которой должен использоваться фотоприёмник, будет иметь максимальную чувствительность лишь при условии реализации его шумов, этот параметр обычно задаётся.

Во-вторых, значительный интерес, особенно для пороговых фотоприёмных устройств, представляет выбор частоты, для которой реализуется максимальная обнаружительная способность. Помогает в этом частотная характеристика D^*=j(f), для определения которой необходимо исследовать спектральную плотность шума `U_ш=j(f). Эта же зависимость необходима для нахождения граничной частоты избыточного шума, которая помогает выбирать оптимальный частотный диапазон для аппаратуры, использующей фотоприёмник. Поэтому вопрос об измерении шумов целесообразно рассматривать именно в этих двух аспектах.

Измерение шума в заданной полосе частот проводится, в основном, с помощью нестандартных, специально разработанных средств измерений и в большинстве случаев собственные шумы измерительной аппаратуры не намного отличаются от шумов измеряемого объекта. (Если речь идёт о фотоприёмниках, шумы ФПУ обычно намного больше шумоизмерительных приборов.) Поэтому первой задачей при измерении шумов является отделение шума фотоприёмника от шума установки или, точнее, определение доли, вносимой собственными шумами средств измерения в суммарный измеряемый шум. Существует несколько способов оценки собственного шума измерительного тракта, приведённого ко входу.

В течении длительного времени его определяли по величине отсчёта индикаторного устройства измерительного тракта при закороченном входе последнего, сопоставляя затем этот отсчёт с отсчётом при установленном, но затемнённом фотоприёмнике. Однако этот способ не может быть признан корректным, так как шумы усилительного тракта зависят от входного полного сопротивления и, стало быть, измерянный таким способом собственный шум тракта будет отличаться от шума, который он имеет при подключенном ко входу фотоприёмнике.

Некоторые авторы считают лучшим способом оценки шумов предусилителя замену фотоприёмника его эквивалентом, представляющий собой малошумящий резистор, равный по величине сопротивлению приёмника. Однако и этот способ нельзя назвать полностью корректным. Дело в том, что подключение фотоприёмника ко входу усилительного тракта изменяет полное сопротивление последнего не только за счёт активного сопротивления, но и за счёт реактивных составляющих, в частности ёмкости.

В последнее время практикуется измерение напряжения собственных шумов измерительной установки при подключенном к входу предусилителя фотоприёмнике. При этом рабочее напряжение на приёмник не подаётся. В результате полное сопротивление измерительного тракта соответствует такому сопротивлению, которое имеет тракт в процессе измерения, и в то же время регистрируемым шумом оказывается практически только тепловой шум нагрузки. Основные составляющие шумов фотоприёмника на низких частотах – шум 1/f и генерационно-рекомбинационный шум – отсутствуют. Измеренное при этих условиях напряжение шума применяется за шум установки. Применение такого метода измерений означает на практике, что собственный шум измерительной установки должен измеряться при каждой установке фотоприёмника, то есть шум установки фактически не паспортизуется в процессе её аттестации, а становится параметром, контролируемым в процессе измерений. Естественно, это влечёт за собой дополнительные потери времени в процессе измерений, но они окупаются в большинстве случаев повышением точности измерений. При проведении массовых измерений и разработке автоматизированной аппаратуры методика учёта собственного шума измерительного тракта должна быть, очевидно, иной. С другой стороны, обеспечить достаточную точность измерений в этом случае окажется возможным, по-видимому, лишь при условии, что собственный шум тракта будет существенно меньше шумов контролируемых фотоприёмников.

(5.5.1)

Говоря о точности измерения среднеквадратического шума, нужно иметь в виду, что она зависит от времени измерения. Время это должно быть достаточным для того, чтобы результат измерения не отличался больше чем на заданную величину от результатов, измеренных за время, гарантирующее, что распределение полученных мгновенных значений напряжения шума соответствует гауссовскому, то есть нормальному. Приятно считать, что время наблюдения должно не менее чем в 10 раз превышать обратную величину эффективной шумовой полосы измерительного тракта, то есть чем уже полоса тракта, тем больше должно быть время измерения для достижения той же точности результата. При расчётах погрешности измерения при заданной полосе и времени наблюдения или, наоборот, при определении времени, необходимого для обеспечения требуемой точности, рекомендуется использовать выражение, предложенное Ван дер Зилом:

где d - погрешность результата, t – время наблюдения, Df_эфф – эффективная шумовая полоса измерительного тракта.

Коэффициент 2 в знаменателе соответствует измерения шума приборов для регистрации синусоидальных сигналов.

Выражение (12.12.1) показывает, что оперативность работы при регистрации параметров фотоприёмников с помощью измерительного прибора ограничивается метрологическими требованиями, то есть необходимостью обеспечить минимально допустимую или нормированную погрешность результата. Так, для рекомендуемой действующими стандартами полосы измерительного тракта (не более 150 Гц) и времени наблюдения 10 с погрешность измерения оказывается равной примерно 1.4%.

На точность измерения влияет так же ширина динамического диапазона измерительного тракта. Всякое его ограничение означает, что некоторые из возможных выбросов шумовых сигналов не будет пропускаться трактов без искажений и, следовательно, это ограничение приводит к появлению определённой ошибки. Поскольку, однако, обеспечить бесконечно большой динамический диапазон практически невозможно, следует сделать его таким, чтобы ошибка не превышала допустимых пределов.

Если шумы фотоприёмника оказываются близкими к собственным шумам измерительной установки, то есть в этом случае, когда измеренное значение шума при подаче на приёмник рабочего напряжения |`U_S| отличается от значения, полученного при обесточенном приёмнике |U_т| не более чем в 3 раза, среднеквадратическое напряжение шумов фотоприёмника

(5.5.2)

При большой разнице собственными шумами усилительного тракта `U_т можно пренебречь и суммарное значение шума`U_S принимать за напряжение шума фотоприёмника`U_п=`U_S.

Если в состав измерительной установки входит операционный усилитель, измеряется не напряжения, а ток шума. Все требования к тракту и приёмы измерения, а так же расчёты остаются прежними.

Процесс измерения спектральной плотности шума не отличается от описанного выше, разница заключается лишь в используемой измерительной аппаратуре. В данном случае применяются анализаторы спектра, то есть селективные вольтметры с перестраиваемой в широком диапазоне резонансной частотой с узкой эффективной шумовой полосой (так называемой полосой анализа). В соответствии со сказанным выше для обеспечения достаточной точности измерений, время накопления значительно возрастает. Кроме того, оно может быть различным для разных частот, если ширина полосы анализатора изменяется с частотой (на пример, при постоянном значении Df/f_рез). Весьма важно так же при измерении спектральной плотности шума знать эффективную шумовую полосу на каждой частоте, так как спектральная плотность рассчитывается как отношение измеренного среднеквадратического значения напряжения шума к корню из эффективной шумовой полосы. Обычно полоса для каждой частоты указывается в паспорте или техническом описании анализатора (для стандартного прибора). Если этого нет полоса определяется в процессе метрологической аттестации прибора путём определения его частотной характеристики и последующего расчёта. Если анализатор имеет постоянную полосу на всех частотах, эту операцию достаточно проделать однажды, если же постоянной является относительная ширина, операцию приходится повторять во всём диапазоне изменения частоты. Ясно, что такая работа весьма трудоёмка и занимает слишком много времени. Поэтому, пользуясь тем, что полоса анализатора очень узкая, можно применить драгой метод определения эффективной шумовой полосы. Речь идёт об измерении среднеквадратического напряжения шума проволочного резистора известного номинала на нужных частотах и последующем расчёте эффективной шумовой полосы исходя из уравнения теплового шума