光電探測(cè)器選型噪聲問題

在設(shè)計(jì)探測(cè)器系統(tǒng)時(shí)，保持電帶寬盡可能接近所需帶寬至關(guān)重要。也就是說，如果光信號(hào)以10kHz的頻率變化，那么具有1MHz帶寬的探測(cè)器系統(tǒng)只會(huì)不必要地引入噪聲。

在任何光檢測(cè)應(yīng)用中，信號(hào)檢測(cè)的下限由檢測(cè)器及其放大器的噪聲特性決定。任何光學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)中都有三個(gè)主要的噪聲源：光子相關(guān)的散粒噪聲、探測(cè)器暗噪聲和放大器噪聲。前兩個(gè)與探測(cè)器有關(guān)。

inoise=電流均方根噪聲，q=電子電荷，Iph=光生信號(hào)電流，M=探測(cè)器內(nèi)部增益，F(xiàn)=探測(cè)器過量噪聲系數(shù)，ΔB=探測(cè)器-放大器組合的電帶寬。

與信號(hào)電平無關(guān)的探測(cè)器暗噪聲也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的噪聲。對(duì)于PMT和APD，除了信號(hào)產(chǎn)生的散粒噪聲外，還有兩個(gè)主要的噪聲源：探測(cè)器產(chǎn)生的暗電流散粒噪聲和探測(cè)器增益機(jī)制產(chǎn)生的噪聲(過量噪聲)。

暗電流的散粒噪聲形式與上式相同，只是用ID代替了Iph。

過量噪聲的細(xì)節(jié)超出了本文的范圍。簡(jiǎn)單地說，它是由探測(cè)器的內(nèi)部放大機(jī)制添加到信號(hào)中的噪聲。對(duì)于PMT，其值約為1.4，并隨著增益的增加而減小。對(duì)于APD，它的值大于2，并且隨著增益的增加而增加。它還依賴于被檢測(cè)到的光的波長(zhǎng)。

如前所述，光電二極管有兩種工作方法：光電導(dǎo)模式和光伏模式。在每種情況下，主要的噪聲源都是不同的。在光電導(dǎo)模式下，暗電流相當(dāng)大，因此暗電流的散粒噪聲主導(dǎo)了光電二極管的噪聲。要將散粒噪聲方程應(yīng)用于光電二極管，請(qǐng)用Idark代替Iph，并將M和F設(shè)置為1。

在光伏操作模式下，暗電流可以忽略不計(jì)。在這種情況下，光電二極管分流電阻的約翰遜噪聲主導(dǎo)了噪聲項(xiàng)。

k=玻爾茲曼常數(shù)，T=光電二極管的溫度，Rsh=光電二極管的分流電阻。

對(duì)于SiPMs，還有兩個(gè)額外的噪聲源——后脈沖和串?dāng)_——用戶需要注意(圖1)。當(dāng)被捕獲的電荷在從初級(jí)雪崩中恢復(fù)的像素中釋放時(shí)，會(huì)發(fā)生后脈沖，釋放的電荷會(huì)觸發(fā)該像素內(nèi)的次級(jí)雪崩。后脈沖相對(duì)于主信號(hào)在時(shí)間上延遲。當(dāng)一個(gè)像素的原始雪崩引起光子發(fā)射，從而觸發(fā)相鄰像素的一個(gè)或多個(gè)雪崩時(shí)，就會(huì)發(fā)生光學(xué)串?dāng)_。串?dāng)_脈沖是由光的發(fā)射引起的，因此“瞬間”發(fā)生，因此，串?dāng)_脈沖疊加在信號(hào)脈沖上。

圖1:SiPM中的串?dāng)_和后脈沖

脈沖和串?dāng)_實(shí)際上是噪聲，但由于這些噪聲源的性質(zhì)，尚不清楚它們對(duì)測(cè)量系統(tǒng)有什么影響。最小化其影響的一種方法是選擇具有低后脈沖和串?dāng)_特性的SiPM。

圖2:跨阻抗放大器將檢測(cè)器輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓

光電探測(cè)器放大器(圖2)是主要的系統(tǒng)組件，在許多情況下，其噪聲將主導(dǎo)系統(tǒng)噪聲。要了解探測(cè)器系統(tǒng)的總噪聲，必須了解探測(cè)器放大器組合的噪聲。雖然放大器噪聲方程的推導(dǎo)非常復(fù)雜(見參考文獻(xiàn))，但一些基本假設(shè)和簡(jiǎn)化可以得出非常有用的噪聲方程。

第一項(xiàng)是放大器反饋電阻器的約翰遜噪聲。由于反饋電阻器的值必須小于光電二極管的分流電阻，因此該項(xiàng)通常會(huì)主導(dǎo)檢測(cè)器放大器的噪聲。

If=放大器反饋電阻約翰遜噪聲引起的均方根電流，Rf=反饋電阻器，為了盡量減少約翰遜噪聲，必須選擇一個(gè)大的反饋電阻器或冷卻放大器。

第二項(xiàng)來自放大器的輸入噪聲電壓，其形式如下：

Iv=放大器電壓噪聲引起的均方根電流噪聲，Va=輸入電壓噪聲密度，例如nV/Hz^1/2，Ct=探測(cè)器的終端電容。

電壓噪聲電流很有趣，因?yàn)樗蕾囉跈z測(cè)器的終端電容。它還與頻率帶寬密切相關(guān)。為了降低該元件或放大器噪聲，應(yīng)選擇低電容的檢測(cè)器。此外，應(yīng)盡量減少電帶寬。

最后，第三噪聲分量是由放大器輸入偏置電流(Ib)引起的散粒噪聲。如果在選擇低輸入偏置電流場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大器時(shí)小心謹(jǐn)慎，這種噪聲源就會(huì)最小化。

總探測(cè)器放大器均方根噪聲變?yōu)椋?/p>

Ishot=探測(cè)器暗噪聲+信號(hào)引起的散粒噪聲

放大器噪聲加上探測(cè)器暗噪聲表示探測(cè)器系統(tǒng)的本底噪聲，而信號(hào)引起的散粒噪聲隨信號(hào)電平而變化?？紤]到這一點(diǎn)，信噪比可以寫如下：

由上式可以推測(cè)，內(nèi)部增益檢測(cè)器的優(yōu)勢(shì)在于通過檢測(cè)器的增益降低了放大器的有效噪聲。因此，諸如PMT之類的高增益檢測(cè)器可以將放大器噪聲的貢獻(xiàn)降低到微不足道的程度。同樣，中等增益檢測(cè)器(如APD)大大降低了放大器對(duì)檢測(cè)器系統(tǒng)總噪聲的噪聲貢獻(xiàn)，而沒有內(nèi)部增益的光電二極管更容易受到放大器噪聲的影響。

當(dāng)今的市場(chǎng)要求產(chǎn)品以盡可能快的速度和盡可能低的成本從繪圖板進(jìn)入市場(chǎng)。模塊通過比較大化集成、降低開發(fā)成本和節(jié)省時(shí)間來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

模塊可以像光電二極管放大器組合一樣簡(jiǎn)單，也可以像微處理器控制的光子計(jì)數(shù)單元一樣復(fù)雜，該單元包括PMT、高壓電源、光子計(jì)數(shù)電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)接口，所有這些都在6英寸長(zhǎng)的封裝中。

圖8展示了模塊優(yōu)勢(shì)的一個(gè)示例。由于許多原因，MPPC是一個(gè)難以設(shè)計(jì)的設(shè)備。它對(duì)溫度非常敏感，其噪聲隨著增益的增加而增加，并且對(duì)偏置電壓的微小變化非常敏感。所示的模塊包含一個(gè)非常低的紋波電源，低噪聲放大器，溫度反饋電路(補(bǔ)償熱漂移)，并從一個(gè)5 V直流電源運(yùn)行。儀器設(shè)計(jì)人員已經(jīng)不再需要在高電壓下工作，也不需要對(duì)探測(cè)器增益漂移的高電壓進(jìn)行熱補(bǔ)償。因此，可以將注意力集中在將探測(cè)器集成到光學(xué)系統(tǒng)上。

盡管如此，該模塊并不能幫助選擇探測(cè)器，而只能使探測(cè)器更容易使用。因此，每個(gè)電光儀器的設(shè)計(jì)者都應(yīng)該熟悉探測(cè)器的性能和使用。

審核編輯 黃宇