ফটোডিটেক্টরের শব্দ কীভাবে কমানো যায়

ফটোডিটেক্টরের শব্দ কীভাবে কমানো যায়

ফটোডিটেক্টরের নয়েজের মধ্যে প্রধানত অন্তর্ভুক্ত রয়েছে: কারেন্ট নয়েজ, থার্মাল নয়েজ, শট নয়েজ, ১/এফ নয়েজ এবং ওয়াইডব্যান্ড নয়েজ ইত্যাদি। এই শ্রেণিবিন্যাসটি কেবল একটি তুলনামূলকভাবে স্থূল পদ্ধতি। এবার আমরা নয়েজের আরও বিস্তারিত বৈশিষ্ট্য এবং শ্রেণিবিন্যাস তুলে ধরব, যা ফটোডিটেক্টরের আউটপুট সিগন্যালের উপর বিভিন্ন ধরণের নয়েজের প্রভাব আরও ভালোভাবে বুঝতে সবাইকে সাহায্য করবে। শুধুমাত্র নয়েজের উৎসগুলো বোঝার মাধ্যমেই আমরা ফটোডিটেক্টরের নয়েজ আরও ভালোভাবে কমাতে ও উন্নত করতে পারি, যার ফলে সিস্টেমের সিগন্যাল-টু-নয়েজ রেশিও অপ্টিমাইজ করা সম্ভব হয়।

শট নয়েজ হলো চার্জ বাহকগুলির বিচ্ছিন্ন প্রকৃতির কারণে সৃষ্ট একটি এলোমেলো ওঠানামা। বিশেষ করে আলোক-বৈদ্যুতিক ক্রিয়ায়, যখন ফোটন আলোক-সংবেদনশীল উপাদানগুলিতে আঘাত করে ইলেকট্রন তৈরি করে, তখন এই ইলেকট্রনগুলির উৎপাদন এলোমেলো হয় এবং পয়সন বিন্যাস মেনে চলে। শট নয়েজের বর্ণালীগত বৈশিষ্ট্য সমতল এবং কম্পাঙ্কের মানের উপর নির্ভরশীল নয়, এবং এই কারণে একে হোয়াইট নয়েজও বলা হয়। গাণিতিক বর্ণনা: শট নয়েজের রুট মিন স্কয়ার (RMS) মান নিম্নরূপে প্রকাশ করা যায়:

তাদের মধ্যে:

e: ইলেকট্রন চার্জ (প্রায় ১.৬ × ১০⁻¹⁹ কুলম্ব)

Idark: অন্ধকার স্রোত

Δf: ব্যান্ডউইথ

শট নয়েজ কারেন্টের মানের সমানুপাতিক এবং এটি সকল ফ্রিকোয়েন্সিতে স্থিতিশীল থাকে। এই সূত্রে, Idark হলো ফটোডায়োডের ডার্ক কারেন্ট। অর্থাৎ, আলোর অনুপস্থিতিতে ফটোডায়োডে অনাকাঙ্ক্ষিত ডার্ক কারেন্ট নয়েজ থাকে। যেহেতু এটি ফটোডিটেক্টরের একেবারে সামনের প্রান্তের একটি সহজাত নয়েজ, তাই ডার্ক কারেন্ট যত বেশি হয়, ফটোডিটেক্টরের নয়েজও তত বেশি হয়। ফটোডায়োডের বায়াস অপারেটিং ভোল্টেজ দ্বারাও ডার্ক কারেন্ট প্রভাবিত হয়, অর্থাৎ বায়াস অপারেটিং ভোল্টেজ যত বেশি হয়, ডার্ক কারেন্টও তত বেশি হয়। তবে, বায়াস ওয়ার্কিং ভোল্টেজ ফটোডিটেক্টরের জাংশন ক্যাপাসিট্যান্সকেও প্রভাবিত করে, যার ফলে এটি ফটোডিটেক্টরের গতি এবং ব্যান্ডউইথকে প্রভাবিত করে। অধিকন্তু, বায়াস ভোল্টেজ যত বেশি হয়, গতি এবং ব্যান্ডউইথও তত বেশি হয়। সুতরাং, ফটোডায়োডের শট নয়েজ, ডার্ক কারেন্ট এবং ব্যান্ডউইথ পারফরম্যান্সের পরিপ্রেক্ষিতে, প্রকল্পের প্রকৃত প্রয়োজনীয়তা অনুযায়ী যথাযথ ডিজাইন করা উচিত।

২. ১/এফ ফ্লিকার নয়েজ

১/এফ নয়েজ, যা ফ্লিকার নয়েজ নামেও পরিচিত, প্রধানত নিম্ন-ফ্রিকোয়েন্সি পরিসরে ঘটে এবং এটি উপাদানের ত্রুটি বা পৃষ্ঠের পরিচ্ছন্নতার মতো কারণগুলির সাথে সম্পর্কিত। এর স্পেকট্রাল বৈশিষ্ট্য ডায়াগ্রাম থেকে দেখা যায় যে, এর পাওয়ার স্পেকট্রাল ডেনসিটি নিম্ন-ফ্রিকোয়েন্সি পরিসরের তুলনায় উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি পরিসরে উল্লেখযোগ্যভাবে কম, এবং প্রতি ১০০ গুণ ফ্রিকোয়েন্সি বৃদ্ধির জন্য, স্পেকট্রাল ডেনসিটি নয়েজ রৈখিকভাবে ১০ গুণ হ্রাস পায়। ১/এফ নয়েজের পাওয়ার স্পেকট্রাল ডেনসিটি ফ্রিকোয়েন্সির সাথে ব্যস্তানুপাতিক, অর্থাৎ:

তাদের মধ্যে:

SI(f) : নয়েজ পাওয়ার স্পেকট্রাল ডেনসিটি

I: বর্তমান

f: কম্পাঙ্ক

১/এফ নয়েজ নিম্ন-ফ্রিকোয়েন্সি পরিসরে উল্লেখযোগ্য এবং ফ্রিকোয়েন্সি বাড়ার সাথে সাথে দুর্বল হয়ে পড়ে। এই বৈশিষ্ট্যটি এটিকে নিম্ন-ফ্রিকোয়েন্সি অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে হস্তক্ষেপের একটি প্রধান উৎস করে তোলে। ১/এফ নয়েজ এবং ওয়াইডব্যান্ড নয়েজ প্রধানত ফটোডিটেক্টরের ভিতরে থাকা অপারেশনাল অ্যামপ্লিফায়ারের ভোল্টেজ নয়েজ থেকে আসে। নয়েজের আরও অনেক উৎস রয়েছে যা ফটোডিটেক্টরের নয়েজকে প্রভাবিত করে, যেমন অপারেশনাল অ্যামপ্লিফায়ারের পাওয়ার সাপ্লাই নয়েজ, কারেন্ট নয়েজ এবং অপারেশনাল অ্যামপ্লিফায়ার সার্কিটের গেইনে থাকা রেজিস্ট্যান্স নেটওয়ার্কের থার্মাল নয়েজ।

৩. অপারেশনাল অ্যামপ্লিফায়ারের ভোল্টেজ ও কারেন্ট নয়েজ: ভোল্টেজ এবং কারেন্ট স্পেকট্রাল ডেনসিটিগুলো নিম্নলিখিত চিত্রে দেখানো হলো:

অপারেশনাল অ্যামপ্লিফায়ার সার্কিটে, কারেন্ট নয়েজকে ইন-ফেজ কারেন্ট নয়েজ এবং ইনভার্টিং কারেন্ট নয়েজে বিভক্ত করা হয়। ইন-ফেজ কারেন্ট নয়েজ i+ সোর্সের অভ্যন্তরীণ রোধ Rs-এর মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয়ে একটি সমতুল্য ভোল্টেজ নয়েজ u1= i+*Rs তৈরি করে। ইনভার্টিং কারেন্ট নয়েজ I- গেইন সমতুল্য রোধক R-এর মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয়ে সমতুল্য ভোল্টেজ নয়েজ u2= I-*R তৈরি করে। সুতরাং, যখন পাওয়ার সাপ্লাইয়ের RS বড় হয়, তখন কারেন্ট নয়েজ থেকে রূপান্তরিত ভোল্টেজ নয়েজও খুব বড় হয়। তাই, আরও ভালো নয়েজ অপ্টিমাইজ করার জন্য, পাওয়ার সাপ্লাই নয়েজ (অভ্যন্তরীণ রোধ সহ) অপ্টিমাইজেশনের একটি মূল দিক। কারেন্ট নয়েজের স্পেকট্রাল ডেনসিটিও ফ্রিকোয়েন্সি পরিবর্তনের সাথে পরিবর্তিত হয় না। তাই, সার্কিট দ্বারা বিবর্ধিত হওয়ার পর, এটি ফটোডায়োডের ডার্ক কারেন্টের মতো, সম্মিলিতভাবে ফটোডিটেক্টরের শট নয়েজ গঠন করে।

৪. অপারেশনাল অ্যামপ্লিফায়ার সার্কিটের গেইন (অ্যাম্প্লিফিকেশন ফ্যাক্টর)-এর জন্য রেজিস্ট্যান্স নেটওয়ার্কের থার্মাল নয়েজ নিম্নলিখিত সূত্র ব্যবহার করে গণনা করা যেতে পারে:

তাদের মধ্যে:

k: বোল্টজম্যান ধ্রুবক (১.৩৮ × ১০⁻²³ জুল/কেলভিন)

T: পরম তাপমাত্রা (কেলভিন)

R: রোধ (ওহম) তাপীয় নয়েজ তাপমাত্রা এবং রোধের মানের সাথে সম্পর্কিত, এবং এর স্পেকট্রাম সমতল। সূত্র থেকে দেখা যায় যে, গেইন রোধের মান যত বেশি হবে, তাপীয় নয়েজও তত বেশি হবে। ব্যান্ডউইথ যত বেশি হবে, তাপীয় নয়েজও তত বেশি হবে। অতএব, রোধের মান এবং ব্যান্ডউইথের মান যেন গেইন ও ব্যান্ডউইথ উভয়ের প্রয়োজনীয়তা পূরণ করে এবং পরিশেষে কম নয়েজ বা উচ্চ সিগন্যাল-টু-নয়েজ অনুপাত নিশ্চিত করে, তা নিশ্চিত করার জন্য সিস্টেমের আদর্শ সিগন্যাল-টু-নয়েজ অনুপাত অর্জনের লক্ষ্যে প্রকৃত প্রকল্পের প্রয়োজনীয়তার উপর ভিত্তি করে গেইন রোধক নির্বাচন সতর্কতার সাথে বিবেচনা ও মূল্যায়ন করা প্রয়োজন।

সারসংক্ষেপ

ফটোডিটেক্টর এবং ইলেকট্রনিক ডিভাইসের কর্মক্ষমতা বৃদ্ধিতে নয়েজ ইমপ্রুভমেন্ট প্রযুক্তি একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। উচ্চ নির্ভুলতার অর্থ হলো কম নয়েজ। প্রযুক্তির চাহিদা বৃদ্ধির সাথে সাথে ফটোডিটেক্টরের নয়েজ, সিগন্যাল-টু-নয়েজ রেশিও এবং ইকুইভ্যালেন্ট নয়েজ পাওয়ারের প্রয়োজনীয়তাও ক্রমশ বাড়ছে।