Шумы приемника

Тепловой шум вызывается хаотическим тепловым движением свободных электронов. В результате такого движения число электронов, перемещающихся в одном направлении, не равно числу электронов, движущихся в противоположном направлении. Разница создает напряжение, определяемое формулой Найквиста:

, (4.8.)

где k=1,3810^-23- постоянная Больцмана, Втс/град; Т - температура слоя, К; Df - полоса частот, в которой измеряют флюктуацию напряжения, 1/с; u_т - действующее значение напряжения теплового шума, В.

Токовые шумы вызываются изменением сопротивления цепи приемника при протекании темнового тока, возникающего вследствие теплового движения электронов и их рекомбинации с положительными носителями (дырками). На эти шумы накладываются шумы контактных электродов:

, (4.9)

где k₁ - постоянная величина для каждого типа приемника (например, для сернистосвинцового фоторезистора k₁=10^-11-10^-12 ); i_т - среднее значение тока при отсутствии потока излучения (Ф=0); f - средняя частота в полосе пропускания усилителя, Гц; Df - полоса пропускания усилителя, Гц; u_i - действующее значение напряжения токового шума.

Радиационные (фоновое) шумы u_ф появляются при изменении температуры приемника в результате теплообмена между приемником и окружающей средой:

u_ф = k₂ DФ_т , (4.10)

где DФ_т - изменение теплового потока, k₂ - коэффициент пропорциональности;

, (4.11)

Здесь q_п - площадь чувствительной площадки; e - коэффициент излучения (отличие от абсолютно черного тела); k - постоянная Больцмана; s- постоянная Стефана-Больцмана; Т - температура, K.

Суммарный шум u_ш:

, (4.12)

Важно отметить, что u_ш зависит от .

Порог чувствительности. Минимальное значение потока излучения, вызывающее на его входе сигнал, равный напряжению шумов, называется порогом чувствительности приемника Ф_п:

Вт, (4.13)

где u_с - напряжение сигнала, В, соответствующее падающему на фотоприемник лучистому потоку Ф, Вт.

Эквивалентная мощность шумов или мощность излучения, эквивалентная шуму, или нормированная пороговая чувствительность Ф_п,f :

ВтГц^-1/2, (4.14)

Если в формуле (4.13) отношение u_с / u_ш, полученное измерительным устройством с полосой Df, отнести к полосе 1 Гц и предположить, что в пределах этой полосы напряжение u_ш не зависит от частоты, то получим формулу (4.14).

При помощи Ф_п,f можно проводить сравнительную оценку различных приемников, усилительные устройства которых имеют различную полосу пропускания Df.

Для оценки фотоприемников независимо от площади чувствительного элемента введено понятие " обнаружительная способность приемника " D*:

см, Гц^1/2/Вт. (4.15)

Величина D* позволяет оценить качество материала светочувствительного слоя фотоприемников, сравнить отечественные приемники с зарубежными. Отметим, что по величине D* отечественные фотоприемники в ряде случаев превосходят зарубежные.

В соответствии с (4.15) нормированная пороговая чувствительность Ф_пfq определяется соотношением

ВтГц^-1/2 см^-1. (4.16)

Интегральная чувствительность S_и - крутизна зависимости сигнала u_с на выходе фотоприемника от падающего потока Ф:

В/Вт. (4.17)

Большинство используемых в инфракрасных ГСН фотоприем-ников имеют S_и = 10⁴-10⁵ В/Вт.

Относительная спектральная чувствительность S_l:

. (4.18)

Постоянная времени t характеризует инерционность фотоприемного устройства как апериодического звена первого порядка и равна времени, в течение которого выходной сигнал, снимаемый с приемника, достигнет 0,63 максимального значения.

Динамический диапазон фотоприемного устройства определяется диапазоном изменения входного сигнала (падающего потока) от минимального до максимального значения и характеризуется отношением Ф_max / Ф_п, где Ф_max - максимальное значение потока, соответствующее линейному участку (с заданным допуском на S_и) зависимости u_с(Ф).