12. Измерение параметров и характеристик фотоприемных устройств

12.1. Основные определения измеряемых параметров и характеристик

Фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения (ФЭПП) (Photoelectric semiconductor detector)-фоточувствительный полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводнике.

Фотоприемное устройство (ФПУ) - фоточувствительный полупроводниковый прибор, состоящий из фотоэлектрического полупроводникового приемника излучения и схемы предварительного усиления фотосигнала в гибридном или интегральном исполнении, объединенных в единую конструкцию. Оно служит для приема (детектирования) и преобразования оптических сигналов в электрические. Как оптоэлектронный преобразователь, ФПУ имеет оптический вход (управляющая цепь) и электрический выход (сигнальная цепь), параметры которых должны быть согласованы с источником излучения и оптической линией связи, с одной стороны, и с электрической нагрузкой, включающей в себя любой требуемый преобразователь электрических сигналов: усилитель, модулятор, декодер, с другой стороны.

В зависимости от типа и режима детектирования ФПУ может работать либо в фотодиодном, либо в лавинном режимах.

Фотодиодный режим (Back-biased mode of photovoltaic detector operation) - режим работы фотодиода без внутреннего усиления при рабочем напряжении, приложенном в обратном направлении.

Лавинный режим работы фотодиода (Avalanche mode of photodiode operation) - режим работы фотодиода с внутренним усилением, который обеспечивается лавинным размножением носителей заряда при обратном смещении электронно-дырочного перехода.

В обоих режимах как элемент оптической цепи ФПУ может работать как в аналоговом, так и в цифровом режимах, что определяется формой оптического сигнала, поступающего на его вход. Тот или другой режим детектирования, уровни выходных сигналов, надежность их обнаружения, система обработки электрических сигналов с выхода ФПУ определяют номенклатуру основных параметров и характеристик.

Параметры напряжений, сопротивлений и токов ФЭПП:

  • рабочее напряжение ФЭПП (Operating voltage) - постоянное напряжение, приложенное к ФЭПП, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе;
  • пробивное напряжение фотодиода (Breakdown voltage of a photodiode) − значение обратного напряжения, не вызывающего пробой фотодиода, при котором обратный ток фотодиода достигает заданного значения;
  • темновое сопротивление ФЭПП (Dark resistance) - сопротивление ФЭПП в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности;
  • темновой ток ФЭПП (Dark current) - ток, протекающий через ФЭПП при указанном напряжении на нем в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности;
  • фототок ФЭПП (Photocurrent) - ток, проходящий через ФЭПП при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением;
  • общий ток ФЭПП (Total current) - ток ФЭПП, состоящий из темнового тока и фототока;
  • напряжение фотосигнала ФЭПП (Photoelectric signal voltage) - изменение напряжения на ФЭПП, вызванное действием на ФЭПП потока излучения источника фотосигнала.

Параметры чувствительности ФЭПП:

  • чувствительность ФЭПП (Responsivity) - отношение изменения электрической величины на выходе ФЭПП, вызванного падающим на него излучением к количественной характеристике этого излучения, представленной любой энергетической или фотометрической величиной;
  • монохроматическая чувствительность ФЭПП (Monochromatic responsivity) - чувствительность ФЭПП к монохроматическому излучению;
  • спектральная характеристика чувствительности ФЭПП (Spectral sensitivity) - зависимость монохроматической чувствительности ФЭПП от длины волны регистрируемого потока излучения;
  • абсолютная спектральная характеристика чувствительности ФЭПП (Absolute spectral-response characteristic) - зависимость монохроматической чувствительности ФЭПП, измеренной в абсолютных единицах, от длины волны регистрируемого потока излучения;
  • относительная спектральная характеристика чувствительности ФЭПП - зависимость монохроматической чувствительности, отнесенной к значению максимальной монохроматической чувствительности, от длины волны регистрируемого потока излучения;
  • длина волны максимума спектральной чувствительности ФЭПП (Peak spectral response wavelength) - длина волны, соответствующая максимуму спектральной чувствительности;
  • область спектральной чувствительности ФЭПП (Spectral sensitivity range) - диапазон длин волн спектральной характеристики ФЭПП, в которой чувствительность ФЭПП составляет не менее 10% своего максимального значения;
  • коротковолновая граница спектральной чувствительности ФЭПП (Short wavelength limit) - наименьшая длина волны монохроматического излучения, при которой монохроматическая чувствительность ФЭПП равна 0,1 её максимального значения;
  • длинноволновая граница спектральной чувствительности ФЭПП (Long wavelength limit) - наибольшая длина волны монохроматического излучения, при которой монохроматическая чувствительность ФЭПП равна 0,1 её максимального значения;
  • интегральная чувствительность ФЭПП (Total responsivity) - чувствительность ФЭПП к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава;
  • частотная характеристика чувствительности ФЭПП (Frequency response characteristic) - зависимость чувствительности ФЭПП от частоты модуляции потока излучения;
  • порог чувствительности ФЭПП (Noise equivalent power) - среднее квадратичное значение первой гармоники действующего на ФЭПП модулированного потока излучения сигнала с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратичное значение первой гармоники напряжения (тока) фотосигнала равно среднему квадратичному значению напряжения (тока) шума в заданной полосе на частоте модуляции потока излучения, при этом полосу частот выбирают, как правило, в пределах 10% от частоты модуляции так, чтобы изменением спектральной плотности в её пределах можно было пренебречь;

Параметры шума ФЭПП:

  • ток шума ФЭПП (Noise current) - среднее квадратичное значение флуктуации общего тока ФЭПП в заданной полосе частот;
  • напряжение шума (Noise voltage) - среднее квадратичное значение флуктуации напряжения на заданной нагрузке в цепи ФЭПП в заданной полосе частот;
  • спектр тока шума ФЭПП (Noise current spectrum) - распределение плотности среднего квадратичного значения тока шума ФЭПП по частотам;
  • спектр напряжения шума ФЭПП (Noise voltage spectrum) - распределение плотности среднего квадратичного значения напряжения шума ФЭПП по частотам;
  • фоновая характеристика тока шума ФЭПП (Noise current-background radiant flux characteristic) - зависимость тока шума ФЭПП от немодулированного потока излучения фона;
  • фоновая характеристика напряжения шума ФЭПП (Noise voltage-background radiant flux characteristic) - зависимость напряжения шума ФЭПП от немодулированного потока излучения фона;

Параметры инерционности ФЭПП:

  • переходная нормированная характеристика ФЭПП (Normalized transfer characteristic) - отношение фототока, описывающего реакцию ФЭПП в зависимости от времени, к установившемуся значению фототока при воздействии импульса излучения в форме единичной ступени, при этом импульс излучения в форме единичной ступени описывается выражением:

а переходная нормированная характеристика в общем случае имеет вид:

Рисунок 12.1. Переходная характеристика ФЭПП

Рисунок 12.1. Переходная характеристика ФЭПП

  • время нарастания переходной характеристики ФЭПП (Rise time of the normalized transfer characteristic) - минимальный интервал времени между точками переходной нормированной характеристики ФЭПП со значениями 0.1 и 0.9 соответственно;
  • обратная переходная нормированная характеристика ФЭПП (Normalized inverse transfer characteristic) – отношение фототока, описывающего реакцию ФЭПП в зависимости от времени, к начальному значению фототока при резком прекращении воздействия излучения, при этом поток излучения при резком воздействии описывается выражением:

Рисунок 12.2. Обратная переходная нормированная характеристика ФЭПП

  • время спада переходной характеристики ФЭПП (Decay time of the normalized inverse transfer characteristic) – минимальный интервал времени между точками обратной переходной нормированной характеристики ФЭПП со значениями 0.1 и 0.9 соответственно;
  • предельная частота ФЭПП (Cut-off frequency) – частота синусоидально модулированного потока излучения, при котором чувствительность ФЭПП падает до значения 0.707 от чувствительности при немодулированном излучении.

Характеристики зависимости параметров ФЭПП от потока излучения:

  • энергетическая характеристика фототока ФЭПП (Photocurrent-radiant flux characteristic) – зависимость фототока ФЭПП от потока или плотности потока излучения, падающего на ФЭПП;
  • энергетическая характеристика фотосигнала ФЭПП (Photoelectric signal voltage-radiant flux characteristic) – зависимость параметра фототока, сопротивления, напряжения либо тока фотосигнала ФЭПП от потока или плотности потока излучения, падающего на ФЭПП;
  • лсоксамперная характеристика ФЭПП (Photocurrent-illuminance characteristic) – зависимость фототока ФЭПП от освещённости или светового потока, падающего на ФЭПП.

Геометрические параметры ФЭПП:

  • эффективная фоточувствительная площадь ФЭПП (Effective area of the responsive element) – площадь фоточувствительного элемента, эквивалентного по фотосигналу ФЭПП, чувствительность которого равномерно распределена по фоточувствительному элементу и равна номинальному значению локальной чувствительности данного ФЭПП, при этом в качестве номинального значения локальной чувствительности, как правило, выбирается максимальная чувствительность точки в центре ФЭПП;
  • плоский угол зрения ФЭПП (Angular field of view) – угол в нормальной к чувствительному элементу плоскости между направлениями падения параллельного пучка излучения, при которых напряжение или ток фотосигнала ФЭПП уменьшается до заданного уровня;
  • распределение чувствительности по элементу ФЭПП (Responsivity surface distribution) – зависимость чувствительности ФЭПП от положения светового диода на фоточувствительном элементе;
  • угловая характеристика чувствительности ФЭПП (Responsivity directional distribution) – зависимость чувствительности ФЭПП от угла между направлением падающего излучения и нормалью плоскости фоточувствительного элемента.

Эксплуатационные параметры ФЭПП:

  • рассеиваемая мощность ФЭПП (Total power dissipation) – суммарная мощность, рассеиваемая ФЭПП и определяемая мощностью электрического сигнала и мощностью воздействующего на него излучения;
  • максимально допустимая рассеиваемая мощность ФЭПП (Maximum admissible power dissipation) – максимальная электрическая мощность, рассеиваемая ФЭПП, при которой отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе;
  • критическая мощность излучения для ФЭПП – максимальная мощность импульсного или постоянного излучения, при которой отклонение энергетической характеристики ФЭПП от линейного закона достигает заданного уровня;
  • динамический диапазон ФЭПП (Dynamic range) – отношение критической мощности излучения для ФЭПП к порогу чувствительности ФЭПП в заданной полосе частот;
  • неравномерность чувствительности ФЭПП по элементу (Spacing response non-uniformity) – разность наибольшего и наименьшего значений чувствительности ФЭПП, измеренной при перемещении в пределах фоточувствительного элемента оптического диода с заданным спектральным распределением излучения и диаметром, отнесённая к среднему значению чувствительности;
  • нестабильность сопротивления ФЭПП (Resistance unstability coefficient) – отношение максимального отклонения сопротивления ФЭПП от его среднего значения при постоянной температуре и напряжении питания в течении заданного интервала времени к среднему значению;
  • нестабильность тёмного тока ФЭПП (Dark current unstability coefficient) – отношение максимального отклонения тёмного тока ФЭПП от его среднего значения в течении заданного интервала времени при постоянных температуре и напряжении питания приёмника к среднему значению;
  • нестабильность чувствительности ФЭПП (Response unstability coefficient) – отношение максимального отклонения напряжения фотосигнала от среднего значения в течение заданного интервала времени при постоянных значениях потока излучения, температуры и постоянном напряжении питания ФЭПП к среднему значению;
  • температурный коэффициент фототока ФЭПП (Photocurrent-temperature coefficient) – отношение процентного изменения фототока ФЭПП к вызвавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды при заданной освещённости (облучённости);
  • световая нестабильность ФЭПП (Light unstability) - изменения светового сопротивления ФЭПП, происходящее вследствие изменения условий освещенности при его хранении;
  • временной дрейф нулевой точки координатного фотодиода (Zero drift) - смещение нулевой точки координатного фотодиода при постоянной температуре в течение заданного интервала времени.

12.2. Измерения электрических параметров

В связи с электрической природой выходного сигнала фотоэлектрических полупроводниковых приемников излучения крайне важно установить единую методику описания и определения электрических параметров и характеристик фотоприемников. Некоторые из них при низких частотах могут рассматриваться как простые переменные резисторы. Другие, особенно в области высоких частот, должны быть представлены в виде сложной эквивалентной схемы, включающей иногда нелинейные элементы. Электрические параметры приемника при модулированном излучении могут значительно отличаться от параметров при немодулированном излучении. Поэтому значения параметров эквивалентной схемы приемника должны соответствовать реальным условиям его работы.

К числу основных электрических параметров ФЭПП относятся темновой ток фотоприемника, его темновое сопротивление, дифференциальное сопротивление и ёмкость.

12.2.1. Измерения темнового тока и сопротивления

Темновой ток является параметром, характерным для фотоприемников, работающих при подаче смещения (или напряжения питания) от внешнего источника. Поскольку любой фотоприемник представляет собой некоторое конечное сопротивление, подключение его к внешнему источнику напряжения вызывает в нем протекание электрического тока, который и рассматривается здесь как темновой. Величина этого тока определяется величиной приложенного напряжения и сопротивлением приемника. Измерение темнового тока в этом случае аналогично измерению постоянного тока в любой другой схеме и осуществляется с помощью стандартных амперметров, включаемых последовательно в цепь, состоящую из источника питания, фотоприемника и резистора нагрузки. Как и в общем случае, выбирая измерительный прибор для контроля величины темнового тока, следует обращать внимание на то, чтобы его внутреннее сопротивление не оказывало заметного влияния (в пределах допустимой погрешности измерения) на параметры схемы в целом, то есть на величину измеряемого тока. Ввиду малых значений темнового тока для его контроля обычно используют гальванометры или микроамперметры с относительно малым внутренним сопротивлением. Допустимо определение темнового тока по величине падения напряжения на нагрузочном резисторе. Для этой цели могут быть использованы вольтметры постоянного тока с большим входным сопротивлением.

В соответствии с ГОСТ 17772-88 измерения темнового тока рекомендуется проводить на измерительной установке, функциональная схема которой приведена на рисунке 12.3

Рисунок 12.3. Функциональная схема установки для измерения темнового тока

Рисунок 12.3. Функциональная схема установки для измерения темнового тока

Конструкция измерительной установки должна исключать влияние рассеянного света и посторонних источников излучения на результаты измерений.

Тип источника излучения следует выбирать с учетом параметров измеряемого изделия, установленных в стандартах или ТУ на изделие конкретных типов. Максимальное значение потока излучения, падающего на ФЭПП, должно выбираться из условия работы ФЭПП на линейном участке его энергетической характеристики. Нестабильность потока излучения не должна выходить за пределы интервала .

Источник питания ФЭПП должен обеспечивать установление напряжения питания ФЭПП с погрешностью, которая не должна выходить за пределы интервала ,если иное не оговорено в ТУ на ФЭПП конкретного типа. Коэффициент пульсации должен находиться в пределах % и не оказывать влияние на результат измерения параметров ФЭПП.

Измерители тока и напряжения должны обеспечивать измерение, погрешность которых не должна выходить за пределы .

Испытуемый ФЭПП следует поместить в посадочное место измерительной установки, подключить его к измерительной цепи, закрыть светозащитным экраном и установить режим измерения в соответствии с требованиями ТУ на ФЭПП конкретного типа. Для измерения темнового тока ФЭПП устанавливают напряжение питания ФЭПП в соответствии с требованиями ТУ на ФЭПП конкретного типа и по показаниям измерителя тока регистрируют значение темнового тока ФЭПП. Если в ТУ на ФЭПП конкретного типа предусмотрено проводить измерение темнового тока после предварительного освещения его световым потоком, то уровень освещенности, время освещения и промежуток времени между снятием освещенности и измерением темнового тока должны соответствовать ТУ на ФЭПП конкретного типа.

Для измерения общего тока и фототока устанавливают режим измерения в соответствии с требованиями ТУ на ФЭПП конкретного типа и измеряют ток при облучении (общий ток). По результатам измерений общего тока и темнового тока необходимо вычислить фототок ( I ф ) по формуле

Iф=Iобщ–I т , (12.2.1)

где Iобщ. – общий ток ;

Iт – темновой ток.

Погрешность измерения темпового тока , общего тока и фототока не должна выходить за пределы интервала ±5% с заданной вероятностью P=0.912.

Темновое сопротивление R т фотоприемника является весьма важным параметром, определяющим выбор оптимальной нагрузки, а потому – подлежащим обязательному измерению . Измерения проводятся классическим методом амперметра – вольтметра, и Rт рассчитывается как отношение падения напряжения на фотоприемнике к величине протекающего через него темпового тока . Поскольку в большинстве случаев приемники являются достаточно высокоомными (десятки и сотни килом, единицы мегом), погрешностями за счет влияния внутреннего сопротивления измерительных приборов обычно можно пренебречь.

Темновое сопротивление (Rт) следует вычислять по формуле

Rт=U/Iт , (12.2.1)

где U – напряжение питания ФЭПП .

Погрешность измерения темнового сопротивления ФЭПП не должно выходить за пределы интервала ± 5 % с заданной вероятностью P = 0.95 .

По результатам измерения темновых токов фотоприемника при различных напряжениях питания можно построить его вольт – амперную характеристику, которая позволяет выбрать рабочую точку, определить оптимальные рабочие напряжения, а также их предельные значения. Она же является основой для расчета дифференциального сопротивления (Rдиф=dU/dI) при различных рабочих напряжениях.

Из определения следует, что дифференциальное сопротивление соответствует тангенсу угла наклона к оси абсцисс касательной в соответствующей точке вольтамперной характеристики.

12.2.2. Измерение емкости фотоприемных устройств

Емкость фотоприемников измеряют на частоте, указанной в технической документации, но не ниже 0.1 МГц. Максимальную частоту измерения емкости f макс выбирают из условия

f макс ≤ (0.01/Ls×c)1/2/2π , (12.2.3)

где Ls – индуктивность выводов относительно точек подключения в установку для измерения емкости .

Особенности измерения емкости вытекает из наличия присущей полупроводниковым приборам нелинейной зависимости емкости от напряжения постоянного обратного смещения на нем. В этой связи предъявляют повышенные требования к точности поддержания напряжения смещения.

Схема измерения емкости мостовым методом должна соответствовать показанной на рисунке 12.4

В основу этого метода положено выполнение условия для полных сопротивлений мостовой схемы

Z 1×Z 4=Z 2×Z 3 . (12.2.4)

Напряжение высокой частоты генератора (Г) в диагонали БД мостовой схемы, контролируемое индикатором (Ин), равно нулю. При подключении измеряемого прибора ИП в плечо АБ возникший разбаланс мостовой схемы компенсируют откалиброванным в значениях емкости изменением полного сопротивления плеч.

Рисунок 12.4. Схема измерения емкости мостовым методом

Рисунок 12.4. Схема измерения емкости мостовым методом

Чувствительность индикатора и калибровка мостовой схемы должны иметь такие значения, чтобы основная погрешность измерения соответствовала данным

δc≤100×(0.05+0.02пф/с ) (12.2.5)

Измерение емкости и обработку результатов осуществляют в следующем порядке:

  • перед измерением балансируют мостовую схему по минимальным показаниям индикатора, при этом измеряемый прибор отключен;
  • подключают измеряемый прибор, задают необходимое смещение и вновь балансируют мост по минимальным показаниям индикатора, после чего отсчитывают значение измеряемой емкости.

Допускается использование устройств, позволяющих производить автоматическую балансировку мостовой схемы и отсчет измеряемого значения емкости.

Схема измерения емкости частотным методом представлена на рисунке 12.5

Рисунок 12.5. Схема измерения емкости частотным методом

Рисунок 12.5. Схема измерения емкости частотным методом

Частотный метод основан на измерении ухода частоты генератора при подключении

измеряемого прибора к клеммам АБ и на дальнейшем пересчете частоты в емкость. Стабильность частоты генератора (без измеряемого прибора) и погрешность измерения частоты должны удовлетворять условию (12.2.12.) Измерения осуществляют в следующем порядке:

  • определяют емкость кондуктора ( без измеряемого прибора ) относительно клемм АБ;
  • к клеммам АБ подключают калибровочный конденсатор, емкость которого должна быть близка к максимальной емкости измеряемого прибора, и измеряют частоты генератора;
  • проверяют емкость калибровочного конденсатора Ск на частоте измерения f с погрешностью ±1% или на другой частоте при условии L≤0.01/(2πf´)2Cк , где L – последовательная индуктивность выводов калибровочного конденсатора Ск; f´ – большая из частот измерения емкости и проверки емкости Ск ;
  • отключают калибровочный конденсатор и вновь измеряют частоту генератора fз

Значение емкости контура находят из выражения

С0кf2a/(f2в-f2a),

а значение емкости измеряемого прибора С рассчитывают по формуле

С=С0(f22-f21)/f21. (12.2.6)

12.2.3. Измерение чувствительности фотоприемных устройств

Чувствительность фотоприемного устройства – отношение изменения измеряемой электрической величины, вызванного падающим на фотоприемник излучением, к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях. Чувствительность, которую называют иногда коэффициентом преобразования, характеризует, таким образом, свойство фотоприемника вырабатывать электрический сигнал определенной величины под действием падающего на него потока излучения. Необходимо отметить, что при нелинейной зависимости сигнала от падающего потока для полного описания фотоприемника нужно знать всю эту зависимость.

При нелинейности существенно отличаются друг от друга оптическая чувствительность, то есть чувствительность, определяемая отношением постоянных значений измеряемых величин и дифференциальная чувствительность, то есть чувствительность, определяемая отношением малых приращений измеряемых величин (при модулированном сигнале). Однако для большинства практических применений достаточно характеризовать способность фотоприемника преобразовывать оптический сигнал в электрический параметр S, не приводя всей зависимости сигнала

ФЭПП от падающего потока. При этом необходимо, конечно, оговаривать условия определения S (уровень сигнала, наличие или отсутствие модуляции).

Чаще всего выходной сигнал фотоприемника определяется эффективным значением напряжения U или тока I. В этих случаях используют понятие вольтовой SU или токовой SI чувствительности.

В зависимости от спектрального состава регистрируемого излучения выделяют интегральную и монохроматическую чувствительность. Интегральная чувствительность Sинт – чувствительность фотоприемника к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава. Монохроматическая чувствительность Sλ – чувствительность фотоприемника к монохроматическому излучению. Важнейшей характеристикой фотоприемника является спектральная характеристика чувствительности – зависимость монохроматической чувствительности от длины волны регистрируемого излучения. Различают абсолютную спектральную характеристику чувствительности Sλ абс, выраженную в абсолютных единицах (например, в А/Вт или В/Вт) и относительную спектральную характеристику чувствительности Sλ отн

λλ отн=Sλ абс/Sλ абс макс , (12.3.1)

где Sλ абс макс – максимальная монохроматическая чувствительность фотоприемника.

Определение спектральной характеристики чувствительности фотоприемника одна из наиболее трудоемких измерительных процессов, требующая сложной контрольно-измерительной аппаратуры и квалифицированных измерителей. В общем виде определение спектральной чувствительности – это последовательное измерение на разных длинах волн реакции фотоприемника на монохроматическое излучение известной мощности

Sλ i =Uλ i /Pλ i , (12.3.2)

где Sλ i – монохроматическая чувствительность на i – ой длине волны;

Uλ i – сигнал исследуемого фотоприемника;

Pli – мощность монохроматического потока, падающего на фоточувствительный элемент фотоприёмника.

Поэтому измерительная установка для этой цели должна включать в себя: источник излучения, соответствующий области чувствительности исследуемого фотоприёмника; модулятор, прерывающий поток с оптимальной для фотоприёмника чистотой; монохроматор, позволяющий выделить требуемый по ширине участок спектра источника; испытуемый приёмник и схему регистрации его сигнала; образцовый приёмник, позволяющий измерить мощность излучения на выходе монохроматора на каждой длине волны, также с соответствующей схемой регистрации сигнала; и, наконец, оптические и механические узлы фаз фокусировки потоков излучения на вход монохроматора и на чувствительный элемент фотоприёмника и фаз поочерёдного направления излучения на образцовый и исследуемый приёмник.

12.2.3.1. Измерение относительной спектральной чувствительности

Измерения следует проводить на установке, структурная схема которой приведена на рисунке 12.6

Измерительную установку следует готовить к работе в соответствии с эксплуатационной эксплуатацией на установку. Источник излучения должен выбираться в зависимости от области спектральной характеристики чувствительности ФЭПП (ФПУ). Максимальное значение потока излучения, падающего на ФЭПП, должно выбираться из условия работы ФЭПП на линейном участке его энергетической характеристики. Нестабильность потока излучения не должна выходить за пределы интервала ±2%. Способ модуляции, частота, форма и глубина модуляции потока излучения должны выбираться в соответствии с требованиями ТУ на ФЭПП (ФПУ) конкретных типов. При отсутствии этих требований, а также при измерении параметров ФЭПП (ФПУ), используемых в качестве справочных, должны применять электромеханические модуляторы с вращающимися дисками и 100%-ой глубиной модуляции. При этом частота модуляции должна быть fмод=(800±12) Гц. Конструкция модулятора должна быть такой, чтобы закон изменения потока излучения приближался к синусоидальному. Нестабильность частоты модуляции не должна выходить за пределы интервала ±1.5%. Монохроматор должен быть согласован с испытуемым ФЭПП (ФПУ) по спектральному диапазону измерений. Спектральная селективность монохроматора должна быть не менее 60. Спектральная погрешность монохроматора должна быть не более 0.01l, где l - длина волны настройки монохроматора.

Рисунок 12.6. Структурная схема установки для измерения относительной спектральной чувствительности

Рисунок 12.6. Структурная схема установки для измерения относительной спектральной чувствительности

Контрольный ФЭПП должен иметь известную относительную спектральную характеристику чувствительности, определяемую по уровню в интервале 0.1 – 1.0 максимального значения характеристики с погрешностью, которая не вероятностью P=0.912. Контрольный ФЭПП должен быть линейным во всём диапазоне измеряемых мощностей излучения. Отклонение от линейности не должно быть более 1%.

Конструкция установки должна обеспечивать равенство оптических длин путей от источника излучения до контрольного ФЭПП и от источника излучения до испытуемого ФЭПП (ФПУ).

Относительную спектральную характеристику чувствительности необходимо определять при модулированном и не модулированном излучение в зависимости от типа ФЭПП (ФПУ). Испытуемый ФЭПП (ФПУ) помещают в посадочное место измерительной установки и подсоединяют его к усилительному устройству. Устанавливают сопротивление нагрузки и рабочее напряжение.

Направляют излучение из выходной щели монохроматора на испытуемый ФЭПП (ФПУ), контрольный ФЭПП и устанавливают требуемое значение потока, максимальное значение которого () в ваттах должно удовлетворять условию

, (12.3.3)

где – порог чувствительности в единичной полосе частот;

*– эффективная фоточувствительная площадь в ;

*– эффективная шумовая полоса пропускания.

При необходимости максимальное значение потока облучения указывают в ТУ на ФЭПП (ФПУ) конкретных типов.

Устанавливают длину волны, соответствующую началу спектрального диапазона измерений, и регистрируют сигналы с контрольного ФЭПП и испытуемого ФЭПП (ФПУ). Изменяют длину волны и повторяют измерения.

Длину волны λ рекомендуется устанавливать последовательно во всем спектральном диапазоне измерений через равные шаги спектрального сканирования. Число шагов должно быть не менее 20 во всем спектральном диапазоне, а в области максимума по уровням 0,95 – 1,0 относительной спектральной характеристики чувствительности селективного ФЭПП (ФПУ) – не менее 12.

Значение относительной спектральной характеристики чувствительности ФЭПП (ФПУ) на длине волны λ следует определять по формуле

, (12.3.4)

где – показание прибора, регистрирующего сигнал в цепи испытуемого ФЭПП (ФПУ);

*– показание прибора, регистрирующего сигнал в цепи контрольного ФЭПП (ФПУ);

*– показание прибора, регистрирующего сигнал в цепи испытуемого ФЭПП (ФПУ) в максимуме относительной спектральной характеристики чувствительности;

*– показание прибора, регистрирующего сигнал в цепи контрольного ФЭПП в максимуме относительной спектральной характеристики чувствительности испытуемого ФЭПП (ФПУ).

Если испытуемый ФЭПП (ФПУ) имеет нелинейную энергетическую характеристику или малый, по сравнению с диапазоном изменения мощности излучения на выходе монохроматора линейный участок ее, то относительную спектральную характеристику чувствительности следует определить следующим образом. Установить последовательно требуемые длины волн и добиться неизменного значения сигнала на выходе испытуемого ФЭПП (ФПУ). Зарегистрировать по сигналу на выходе контрольного ФЭПП мощность монохроматического излучения, падающую на испытуемый ФЭПП, на каждой длине волны (изменение мощности может указываться в относительных единицах).

Значение относительной спектральной характеристики чувствительности на длине волны λ для ФЭПП с нелинейной энергетической характеристикой следует определять по формуле

, (12.3.5)

где – минимальное показание прибора, регистрирующего сигнал в цепи контрольного ФЭПП.

Если в качестве контрольного ФЭПП применяется селективный ФЭПП, то значение следует определять по формуле

, (12.3.6)

где – относительная спектральная характеристика чувствительности контрольного ФЭПП на длине волны λ ; – относительная спектральная характеристика чувствительности контрольного ФЭПП на длине волны, соответствующей максимуму чувствительности испытуемого ФЭПП (ФПУ).

Строят график относительной спектральной характеристики чувствительности ФЭПП (ФПУ)

.

По графику определяют положение коротковолновой и длинноволновой границ чувствительности на уровне 0,1 от максимального значения. При необходимости границы чувствительности должны быть оговорены в ТУ на ФЭПП конкретного типа.

График может быть использован для определения монохроматической вольтовой (токовой) чувствительности испытуемого ФЭПП (ФПУ) на длине волны λ по формуле

, (12.3.7)

где – вольтовая (токовая) чувствительность испытуемого ФЭПП (ФПУ) в максимуме его спектральной чувствительности, измеренная не-посредственно или определяемая по формуле

, (12.3.8)

где – спектральная плотность энергетической светимости источника, ;

*– статическая вольтовая (токовая) чувствительность исследуемого ФЭПП (ФПУ), В/Вт.

Погрешность определения положения относительной спектральной характеристики чувствительности по уровню 0,1 – 0,01 от максимального значения в спектральном диапазоне измерений не должна выходить за пределы интервала 11% с заданной вероятностью P=0,912.

В случае расположения относительной спектральной характеристики чувствительности ФЭПП (ФПУ) в области полос поглощения паров воды, углекислого газа и других примесей погрешность ее определения не должна выходить за пределы интервала 15% с заданной вероятностью P=0,912.

Погрешность определения монохроматической вольтовой (токовой) чувствительности ФЭПП (ФПУ) не должна выходить за пределы интервала 17% с заданной вероятностью P=0,912.

12.2.3.2. Определение интегральной чувствительности

Для определения интегральной чувствительности измеряют общий ток или напряжение фотоприемника на установке, структурная схема которой изображена на рисунке 12.7

Рисунок 12.7. структурная схема установки для определения интегральной чувствительности

Рисунок 12.7. структурная схема установки для определения интегральной чувствительности

На фотоприемник или ФПУ подают рабочее напряжение и поток излучения, величины которых устанавливаются в соответствии с требованиями стандартов и технических условий на фотоприемники конкретных типов, и измеряют величину общего тока Iобщ или напряжения Uобщ. На той же установке измеряют темновой ток (Iт) или темновое напряжение (Uт) при подаче рабочего напряжения в условиях полного затемнения фотоприемника или ФПУ. Если это предусмотрено в стандартах или технических условиях на ФЭПП или ФПУ конкретных типов, измерения как темновых тока или напряжения, так и общего тока или напряжения проводятся после предварительного освещения ФЭПП или ФПУ, при этом уровень освещенности, время освещения и промежуток времени между снятием освещенности и измерением величин Iобщ , Uобщ , Iт, Uт регламентируется техническими условиями на ФЭПП или ФПУ конкретных типов.

По результатам измерения общего и темнового токов или напряжений вычисляют величину фототока Iф или напряжения фотосигнала:

Iф=Iобщ – Iт, (12.3.9)

Uс=Uобщ – Uт. (12.3.10)

Затем определяют интегральную токовую или вольтовую чувствительность

SI=Iф/Ф, (12.3.11)

SU=Uс/Ф, (12.3.12)

где Ф – поток, попадавший на фотоприемник.

Если известна спектральная характеристика приемника излучения, то интегральная чувствительность может быть определена и по отношению к эффективному потоку. В этом случае чувствительность фотоприемника должна быть выражена по отношению к монохроматическому потоку в единицах мощности на длине волны излучения лазера.

Для определения нестабильности интегральной чувствительности проводят несколько последовательных измерений этой величины, поддерживая температуру в зоне размещения ФЭПП или ФПУ постоянной с точностью 20C. При отсутствии иных требований осуществляют не менее 10 замеров через 30 – 40 с, а затем определяют максимальное отклонение величины Sинт от ее среднего значения.

Для определения вольтовой характеристики интегральной чувствительности измеряют темновой и общий токи (или напряжения) при различных напряжениях питания ФЭПП. При отсутствии иных требований измерения проводят при изменении напряжения от 0 до Uраб и при уровне потока излучения Ф, обеспечивающем десятикратное превышение фотосигнала над темновым током или напряжением. Количество точек отсчета внутри диапазона измерений напряжения питания, необходимых для построения вольтовой характеристики чувствительности, должно быть не менее 10 при равномерном распределении точек отсчета внутри диапазона.

При необходимости определить не единственное значение интегральной чувствительности в рабочей точке, а полную энергетическую характеристику интегральной чувствительности, измеряют общий ток (или напряжение) в определенном диапазоне изменения потока излучения, а затем определяют интегральную чувствительность при разных значениях потока и строят энергетическую характеристику. Если нет иных требований, границы диапазона изменения потока Ф определяют таким образом, что минимальное значение Фmin соответствует двукратному превышению фотосигнала над уровнем темнового тока (или напряжения), а максимальное значение Фmax – тысячекратному превышению. Количество точек отсчёта внутри этого диапазона изменения уровня потока излучения должно быть не менее 10. Расположение точек внутри этого диапазона рекомендуется равномерное.

Для определения температурной характеристики интегральной чувствительности применяют установку, структурная схема которой приведена на рисунке 12.8

При изменении фоторезисторов допускается применить в составе установки вместо измерителя тока (напряжения) измеритель сопротивления, при условии, что его напряжение находится в пределах линейного участка вольт – амперной характеристики фоторезистора. Оптическая схема включает в состав установки только при необходимости. При отсутствии иных требований измерения проводят в интервале температур от -70 до +80°С. Количество точек внутри установленного диапазона температур может варьироваться в зависимости от его величины, но не должно быть менее 12. Точность поддержания температуры ±3°С. По достижении определённой температуры в камере термостата ФЭПП или ФПУ выдерживают в течении 15 мин если не оговорены иные требования. Темновой и общий токи (напряжения) измеряют при всех выбранных значениях температуры и по полученным результатам строят температурные характеристики интегральной чувствительности.

Для измерения фотосигнала и для последующего определения интегральной чувствительности при облучении ФЭПП или ФПУ модулированным потоком применяют установку структурная схема которой приведена на рисунке 12.9

В посадочное гнездо устанавливают ФЭПП или ФПУ и подключают его ко входу измерительного тракта. При выборе сопротивления нагрузки Rн руководствуется соотношением

Rн = Rт ± 0,2 Rт,

где Rт 2 МОм – темновое сопротивления ФЭПП. При Rт> 2 МОм устанавливают Rн=2 МОм ±5%.

Рисунок 12.8. Структурная схема установки для определения температурных характеристик ФЭПП или ФПУ

Рисунок 12.8. Структурная схема установки для определения температурных характеристик ФЭПП или ФПУ

Рисунок 12.9. Структурная схема установки для определения характеристик ФЭПП и ФПУ при модулированном потоке излучения

Рисунок 12.9. Структурная схема установки для определения характеристик ФЭПП и ФПУ при модулированном потоке излучения

Уровень потока излучения при измерении должен обеспечивать уровень измеряемого фотосигнала, существенно превышающий шум (не менее, чем в 10 раз). Резонансная частота селективного измерительного тракта fрез=fмод±3%, где fмод – частота модуляции потока излучения.

Интегральную вольтовую SU инт или токовую SI инт чувствительность определяют по формулам

SI инт =IФ1, SU инт =Uс1, (12.3.13)

где Uc, IФ – напряжение или ток фотосигнала; Ф1 – действующее значение потока излучения.

Среднее квадратическое отклонение результата определения интегральной чувствительности по описанной методике не превышает 10%.

Для определения фоновых характеристик интегральной чувствительности в установку, структурная схема которой показана на рисунке 12.8 вводится дополнительно регулируемый источник фонового излучения. Тип источника и диапазон изменения уровня фонового потока излучения выбирают в соответствии с требованиями к ФЭПП и ФПУ конкретных типов. При отсутствии таких требований границы диапазона выбирают таким образом, чтобы минимальное значение фонового потока превышало пороговый поток не более чем в 10 раз, а максимальное значение – не менее чем в 104 раз.

Измерение пороговой чувствительности

Пороговый поток (порог) Фп фотоприемника в заданной полосе частот определяется как среднеквадратическое значение действующего на фотоприемник синусоидально-модулированного потока излучения с заданным спектральным распределением, при котором среднеквадратическое значение напряжения (тока) фотосигнала равно среднеквадратическому значению напряжения ( тока ) шума в заданной полосе частот:

Фп=/SU. (12.3.14)

Иногда Фп называют порогом чувствительности, а в литературе на английском языке – эквивалентной мощностью шума ( NEP ). Чтобы исключить влияние полосы частот и облегчить сравнение различных ФЭПП между собой, порог рассчитывается в полосе 1Гц:

Фп1п / (12.3.15)

Соотношение (12.3.15) предполагает, что шум – белый, тогда мощность его пропорциональна полосе ∆f, а среднеквадратическое напряжение - .

Шумы и пороговый поток ФЭПП зависят от геометрии образца. Припространственно некоррелированных шумах пороговый поток пропорционален , где А – эффективная площадь фоточувствительного элемента. Поэтому наиболее общий характеристикой пороговых свойств ФЭПП является пороговый поток Ф*п фотоприемника в единичной полосе частот, отнесенный к единичному по площади фоточувствительному элементу

Ф*пп/. (12.3.16)

Параметр Фп обладает тем недостатком, что, характеризуя качество фотоприемника, он уменьшается с улучшением пороговых свойств ФЭПП. Поэтому все большее распространение получает обнаружительная способность D – величина, обратная Фп. Для удобства сравнения между собой различных фотоприемников применяют главным образом удельную обнаружительную способность D*, характеризующую величину D для фотоприемника с эффективной площадью фоточувствительного элемента 1 см2 при ширине полосы измерительного тракта 1 Гц:

D*=D. (12.3.17)

Пороговый поток определяется по измеренным значениям интегральной чувствительности SU или SI и напряжения Uш (тока Iш) шума в заданной полосе частот

(5.3.18)

Для определения удельного порогового потока необходимо определить эффективную шумовую полосу пропускания измерительного тракта Dfэфф и площадь А фоточувствительного элемента ФЭПП или ФПУ. Для нахождения величины Dfэфф ко входу измерительного тракта подключают генератор синусоидальных сигналов. Генератор настраивают в резонанс с измерительным трактом, а затем, поддерживают неизменным значением входного напряжения, уменьшают частоту генератора и фиксируют значение частот, на которых напряжение на выходе измерительного тракта становится последовательно равным 0.9; 0.8; 0.7; … 0.2; 0.1 от начального значения напряжения Uвых.нач на выходе. Величину Dfэфф определяют по следующей формуле:

(5.3.19)

где Dfi – ширина полоса пропускания i-го измерения; Mi=0.2; i – безразмерный коэффициент.

Площадь А ФЧЭ часто берётся как номинальная геометрическая величина. Удельный пороговый поток ФЭПП

Ф*пп/. (12.3.20)

Строго говоря, в формулу (12.3.20) необходимо подставлять значение эффективной площади Аэфф, однако эта величина на практике измеряется далеко не всегда. В то же время разработчика аппаратуры, в которой используется ФЭПП, интересует в конечном счете не Ф*п, а Фп, иными словами, размер фоточувствительной площади входит в прямой расчёт при определении Ф*п из Фп, а затем в обратный расчёт при определении Фп из Ф*п и в этом смысле безразлично, какое значение А (эффективное или геометрическое) будет употреблено. Для определённости удобнее использовать геометрическое номинальное значение, всегда известное разработчику. В то же время, если Ф*п определяется для последующего сравнения между собой однотипных приемников с разной площадью ФЧЭ, следует, конечно, определить Аэфф и именно эту величину подставить в формулу (12.3.20). Значение Ф*п рассчитонное с учётом эффективной площади ФЧЭ, интересует главным образом разработчиков самих ФЭПП.

В практике сравнительной оценки различных ФЭПП чаще применяют не удельный пороговый поток Ф*п, а обратную ей величину – обнаружительную способность

D*=1/Ф*п. (12.3.21)

Этот параметр более удобен, так как он растёт с улучшением пороговых характеристик ФЭПП. Наряду с параметрами Ф*п и D* иногда используют удельные параметры, отнесённые только к единичной шумовой полосе, и для реальной площади ФЭПП они имеют размерность Вт/Гц1/2 и Гц1/2/Вт.

12.3. Определение частотных и временных характеристик фотоприёмных устройств

Для определения частотных характеристик ФЭПП и ФПУ применяют установки, структурные схемы которых представлены на рисунке 12.10, а, б.

Установка должна иметь селективный измерительный тракт, резонансная частота которого может перестраиваться в необходимом диапазоне частот. В установках, предназначенных только для определения частотной характеристики интегральной чувствительности, допускается применять широкополосный усилитель. Устанавливая частоту модуляции потока излучения и резонансную частоту измерительного тракта, соответствующими определёнными значениями внутри исследуемого диапазона, измеряют напряжение (ток) шума Uш (Iш) и напряжение (ток) фотосигнала Uс (Iс). Для определения частотной характеристики интегральной чувствительности на установке, выполненной по схеме рисунка 12.10, б перестраивается по частоте только модулятор.

Рисунок 12.10. Структурная схема установок для определения частотных характеристик ФЭПП и ФПУ при использовании метода последовательного (а) и параллельного (б) анализа.

Рисунок 12.10. Структурная схема установок для определения частотных характеристик ФЭПП и ФПУ при использовании метода последовательного (а) и параллельного (б) анализа.

 

Спектральная плотность шума для каждого значения частоты рассчитывается по формулам:

Uшf= Uшi/ (12.4.1)

Iшf= Iшi/ (12.4.2)

где Uшi и Iшi – напряжение или ток шума на i-ой частоте; Dfэффi – эффективная шумовая полоса пропускания для i-ой частоты.

Эффективная шумовая полоса пропускания измерительного тракта

(5.4.3)

где Кi(f) – функция, определяющая зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты; Кimax – коэффициент усиления на резонансной частоте. По результатам расчётов строят спектр шумов ФЭПП или ФПУ.

Для получения частотной характеристики чувствительности SU=j(f) или SI=y(f) на каждой частоте вычисляют соответствующую чувствительность, относя величину фотосигнала к величине падающего на ФЭПП или ФПУ потока излучения.

Определение временных характеристик, то есть собственной постоянной времени, времени нарастания и времени спада, следует проводить на установке, структурная схема которой приведена на рисунке 12.11.

Рисунок 12.11. Структурная схема установки для определения временных характеристик

Рисунок 12.11. Структурная схема установки для определения временных характеристик

Источник излучения (модулятор) должен формировать трапецеидальные импульсы излучения.

Время нарастания (t0.1 – 0.9) или время спада (t0.9 – 0.1) импульса потока излучения в секундах должно удовлетворять условию

t0.1 – 0.90.3t, t0.9 – 0.1 0.3t, (5.4.4)

где t - минимальное значение собственной постоянной времени ФЭПП, с, указанное в ТУ на ФЭПП конкретного типа.

Примечание. При несоблюдении условия (12.4.4) расчёт времени нарастания и времени спада импульса потока излучения следует проводить по формулам:

где t0.1 – 0.9 изм, t0.9 – 0.1 изм – измеренное значение времени нарастания и времени спада переходной характеристики;

t0.1 – 0.9 пот, t0.9 – 0.1 пот – время нарастания и время спада импульса потока излучения.

Длительность импульса (tимп) потока излучения должна соответствовать условию

tимп³5t (12.4.7)

Скважность импульсов потока излучения должна быть больше или равна 2. Максимальный уровень потока излучения должен лежать в диапазоне от 5Фп до 100Фп, где Фп – пороговый поток фотоприёмника. В качестве регистрирующего прибора обычно используется осциллограф с подходящими частотными характеристиками. Сопротивление нагрузки Rн при измерениях выбирают в соответствии с требованиями на фотоприёмник. При отсутствии специальных требований нагрузку нужно выбирать так, чтобы характеристики цепи практически не влияли на собственную постоянную времени фотоприёмника, иначе говоря,

Rн0.05tфр/С, (12.4.8)

где tфр – длительность фронта импульса; С – ёмкость входа установки.

На ФЭПП (ФПУ) подают импульсный поток излучения и с помощью регистрирующего прибора регистрируют фотосигнал испытуемого ФЭПП (ФПУ). При помощи отметок времени или масштаба развёртки на экране осциллографа определяют собственную постоянную времени по уровню 0.63 от максимального значения, время нарастания и время спада по уровню 0.1 – 0.9 (0.9 – 0.1).

Погрешность определения времени нарастания и спада не должна выходить за пределы интервала ±15% с заданной вероятностью Р=0.912.

12.4. 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 `Uш=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, Dfэфф – 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 |`US| отличается от значения, полученного при обесточенном приёмнике |Uт| не более чем в 3 раза, среднеквадратическое напряжение шумов фотоприёмника

(5.5.2)

При большой разнице собственными шумами усилительного тракта `Uт можно пренебречь и суммарное значение шума`US принимать за напряжение шума фотоприёмника`Uп=`US.

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/fрез). 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

Dfэфф=`u2/(4kTR). (12.12.3)

При этом необходимо точно знать температуру окружающей среды, при которой проводились измерения.

Спектр шума представляет обычно в виде графика зависимости спектральной плотности шума от частоты f.

Методы и средства измерений в телекоммуникационных системах


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.