ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 147
Скачиваний: 2
Для оценки приемников иногда используют термин «эквива лентная мощность шумов», пли «мощность излучения, эквива лентная шуму» (п о р о го в ы й поток), обозначаемая через /V
Величина PN определяется как среднеквадратическое значе ние потока излучения, промодулированного по синусоидальному закону и вызывающего на выходе приемника напряжение Uc, равное среднеквадратичному значению напряжения шумов 1)ш. Согласно этому определению для полосы частот Д/
|
n - |
■<7п |
(4. 28) |
где |
выражается в Вт/Гц1'2 . |
/ V |
|
|
|
Если в формуле (4.27) отношение Uc/Um полученное измери тельным устройством с полосой пропускания Д/, отнести к по
лосе пропускания 1 Гц (т. е. разделить на )' Д/) и предположить, что в пределах этой полосы напряжение (7Шне зависит от часто ты, то при и=1 соотношение (4.27) можно записать в виде
Фп |
(4.29) |
/Д ? ’ |
|
где Фп выражается в Вт/Гц72. |
чувстви |
Сравнивая (4.28) и (4.29), видим, что если порог |
|
тельности, вычисленный по (4.27), отнести к полосе |
частот в |
1 Гц, то получим одинаковые значения Фп и Рк. Формулы (4.28) и (4.29) позволяют производить сравнительную оценку приемни
ков, порог чувствительности которых измерялся |
при |
различ |
||
ных Д/. |
PN |
определяется |
||
В зарубежной практике обычно значение |
||||
при температуре излучения черного тела Г=500 К |
(227° С), |
по |
||
лосе пропускания Д/=1 или 5 Гц и частоте |
модуляции |
90, |
400 |
или 90 Гц. За эталонную площадь чувствительного слоя прини мается 1 см2.
В таблицах и графиках величину PN записывают так: Ру
(500 К, 900, 1), т. е. PN (Т, /м, Д/).
Для оценки приемников независимо от площади чувствитель
ного элемента введено понятие |
обнаруж ит ельной способности |
||||
приемника D*, |
значение которой |
определяется из |
соотноше |
||
ния * |
|
|
|
|
|
|
|
jj*__ 1_£п__ |
V 1\A f |
(4. 30) |
|
|
|
Р К |
|
U j U cEqn ’ |
|
|
|
|
|
||
где D* выражается в см-Гц''’1/Вт. |
|
например, |
|||
Значение D* |
можно записать так же, как и Р,у, |
||||
D* (500 К, 900, |
1). Этот параметр позволяет сравнивать любые |
||||
* |
П а р а м ет р £>* |
н а зы в а ю т и н о г д а |
н о р м и р о в а н н о й п о р о го в о й |
ч у в ств и т ел ь |
|
н остью |
или д ет ек ти р у ю щ ей сп о со б н о ст ь ю . |
|
|
122
приемники для заданных условий измерений — температуры из лучателя, частоты модуляции, полосы пропускания.
Сравнив знаменатель в соотношении для £>* с формулой для порога чувствительности (4.27), можно убедиться, что
D *= 1 |
или ФII |
Яn&t |
(4.31) |
|
D* |
||||
|
Ф„ |
|
||
Таким образом, параметр D* представляет собой величину, |
||||
противоположную порогу |
чувствительности, измеренному при |
Л/= 1 Гц и приведенному к единичной величине приемной пло щадки. Зная величины Фш qa и А/, всегда можно вычислить зна
чение D* и наоборот. |
Соотношения (4.31) дают |
возможность |
сравнивать отечественные приемники с зарубежными. |
||
И н т е г р а л ь н а я |
ч у в с т в и т е л ь н о с т ь |
5 — это вели |
чина реакции (ответа) |
приемника на данный поток излучения. |
Будем считать, что реакцией приемника на падающий поток из лучения Ф является появление на его нагрузке Rs сигнала Со отнеся величину реакции приемника Uc к потоку излучения Ф, получим в общем виде выражение для интегральной чувст
вительности
(4. 32)
где Su выражается в В/Вт.
Современные приемники имеют S v до 105 В/Вт. Средние зна чения Su у сернистосвинцовых фоторезисторов лежат в пределах 3—5 тысяч В/Вт.
О т н о с и т е л ь н а я с п е к т р а л ь н а я ч у в с т в и т е л ь н о с т ь Sx. Так как чувствительность селективных приемников излучения зависит от длины волны падающего излучения, то от носительная спектральная чувствительность определяется как отношение величины чувствительности при данной длине волны Л к максимальной чувствительности.
П о с т о я н |
н о й в р е м е н и |
т приемника излучения называ |
ется время, в |
течение которого |
выходной сигнал, снимаемый с |
приемника, достигает 1——= 0,63 от максимума.
е
Постоянная времени полупроводниковых материалов зависит от концентрации примесей, температуры слоя, величины запре щенной зоны и от других свойств материала.
Постоянная времени в различных типах приемников изменя ется от 10~8 с до нескольких секунд. В приемниках с внутренним фотоэффектом т, как правило, не более 200 мкс, вследствие чего эти приемники и получили широкое применение в быстродейст вующих приборах.
При рассмотрении шумов мы видели, что для уменьшения их уровня (см. рис. 4.18) выгодно применять как можно большие
123
рабочие частоты. Эти частоты определяются частотой модуляции потока. Однако верхний предел этой частоты зависит от постоян ной времени и ограничивается величиной
f |
5-; _1_ |
• |
м.прет |
^ |
Если постоянная времени очень ьелика, то при большой частоте модуляции (прерывании потока) приемник не будет успевать реа гировать на излучение. Это приведет к снижению выходного сигнала, а следовательно, и к уменьшению порога чувствитель ности.
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Характеристика — это свойство приемника, которое может быть описано несколькими значениями каких-либо параметров и
выражено в виде графика или таблицы. |
Изменение пара |
С п е к т р а л ь н а я х а р а к т е р и с т и к а . |
|
метров приемника (чувствительности, порога) |
в зависимости от |
длины волны принимаемого монохроматического излучения назы вается спектральной характеристикой. На рис. 4.19 показаны спектральные характеристики современных приемников ИК-нзлу- ченпя. Из графиков видно, что граница чувствительности фото резисторов, охлаждаемых до 78 К (жидкий азот), достигает 6— 7 мкм у селенпстосвпнцовых фоторезисторов и 10—15 мкм — у германиевых приемников. Фотодиоды и фототрноды (рис. 4.19, в) работают без охлаждения и граница чувствительности их нахо дится в пределах 0,8—2 мкм. Наиболее длинноволновую грани цу чувствительности имеют тепловые приемники — термоэлемен
ты и болометры (рис. |
4.19, а). Как видим, спектральная харак |
теристика приемника |
определяет возможность обнаружения |
того или иного объекта. |
Например, с помощью сернистосвинцовых |
фоторезнсторов выгоднее обнаруживать более нагретые предме
ты, а с помощью германиевых — менее нагретые [по |
формуле |
(1-33) /.maK = 2898/TJ. |
|
Ч а с т о т н а я х а р а к т е р и с т и к а определяет |
изменение |
чувствительности приемника в зависимости от частоты модуляции лучистого потока. Вид частотной характеристики определяется величиной т приемника. Величина чувствительности, частота модуляции потока /м и постоянная времени т приемника связа ны между собой соотношением
So |
(4. 33) |
|
/1+(2я/„т)2 ’ |
||
|
где Sf — чувствительность приемника при частоте модуляции /м; S0— чувствительность при длительной засветке (при
7м ~ 0).
124
На рас. 4.20 приведены частотные характеристики боломет ров, охлаждаемого и неохлаждаемого сернистосвинцового фоторезистора, германиевого фотодиода и фотоэлектронного умножи теля. а также расчетная характеристика сурьмяипстопндиевого
Рис. 4.19. Спектральные характеристики приемников:
■.—тепловых |
приемников: |
/—термоэлемента; 2 — металлического болометра с |
|||
золотом чернью; «?—полупроводникового |
болометра с окном |
из KRS-5- ./—им |
|||
мерсионного |
болометра |
с германиевой |
линзой; б—фоторезисторов при’ охлаж |
||
дении до 78 |
К; 5— сернисто-свинцового |
(PbS); 6—теллурнстосвницового (РЬТе); |
|||
селсннстосвнпцового |
(PbSe); 5—сурьмяипстопндиевого (JnSb): 9— германпе’ |
||||
вого (Ge); в—фотодиодов и фототриодов; |
10—германиевого; |
У/—кремниевого |
приемника. Как видно из графиков, частота модуляции потока при использовании охлаждаемого сернистосвинцового фоторе зистора не должна превышать нескольких сотен герц, а неохлаж даемого — 1000 Гц. Применение приемника из сурьмянистого
125
индия позволяет увеличить частоту модуляции до нескольких ки логерц, а фотоэлектронные умножители обеспечивают работу при частотах модуляции в 100—200 МГц. В 1970—1971 гг. появились приемники, которые обеспечивают прием излучения с частотами модуляции в гигагерцах (1 ГГц = 109 Гц).
Э н е р г е т и ч е с к а я (световая) и в о л ь т о в а я х а р а к т е р и с т и к и . Энергетическая (световая) характеристика выра-
в) |
г) |
Рис. 4.20. Частотные характеристики приемников:
а—тепловых приемников: |
/ —металлического болометра |
с давлением |
гелия |
в |
балло |
|||
не 10“ *мм рт. ст.; 2—то |
же с давлением |
760 мм; Л—^полупроводникового болометра |
||||||
б_фоторезнсторов из сернистого |
свинца |
(PbS) |
и |
сурьмянистого |
индия |
(JnSb) |
||
•/—охлаждаемых до 195 К: |
5 — |
неохлаждаемых: |
О — |
охлаждаемых |
(JnSb) |
до |
Т.ч К |
|
в — германиевого фотодиода; г |
— фотоэлектронного умножителя |
|
|
жает зависимость изменения сигнала на выходе приемника от величины падающего потока. Вольтовые характеристики выра жают изменение выходного сигнала приемника, его шумов и по рога чувствительности от величины питающего напряжения.
На рис. 4.21 показана зависимость изменения шумов (кри вая 2), сигнала с приемника (кривая 1) и отношения спгнал/шум (кривая 3) от питающего напряжения для селенистосвинцового фоторезистора. Из рисунка видно, что существует оптимальная величина питающего напряжения, при которой отношение сигнал/шум имеет максимальную величину. Увеличение пли умень шение напряжения от точек А и Б резко снижает соотношение сигнал/шум. Подобные характеристики снимают и для других типов приемников и по ним определяют оптимальное или допу
стимое значение напряжения на приемнике. |
изменение |
|
Т е м п е р а т у р н а я |
характеристика определяет |
|
параметров приемника |
в зависимости от температуры |
чувстви- |
126
ис , иш, мкВ Сигнал/ьиум
350
300
250
200
150
100
50
"в
Рис. 4.21. Вольтовые характеристики селеиистосвинцового фоторезистора
Рис. 4.22. Характеристики чувствительности (£>*) при охлаждении приемников до
78 К:
/—сернисто-свинцового фоторезистора; 2—селенисто-свинцового фоторезнстора; 3— фотомагннтоэлектрического приемника из сурьмянистого индия
Рис. 4.23. Зависимость темнового тока фотодиода ФД-3 от температуры слоя
127
[3 Т а б л и ц а 4.1
Параметры приемников ИК-излучения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
Рабочая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S, |
|
D* |
|
темпера |
и ш |
|
|
|
||
Тип приемника |
|
|
|
/г,, ом |
т, с |
В/Вт |
гм-Гц'/а |
тура, |
|
Чн |
|
||||||
|
£ |
а, |
МКВ |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Вт—1 |
градусы |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
а |
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кельвина |
|
|
|
|
|
Термоэлемент ТП-0,ЗХ |
— |
— |
30 |
|
4-10-2 |
|
18 |
2,4-109 |
300 |
— |
|
|
0,3X 3 |
мм2 |
|||
х з |
металличе |
|
38 |
300 |
|
5- Ю-з |
|
10 |
6,5-108 |
300 |
|
|
|
0 ,3X 3,3 |
мм2 |
||
Болометр |
— |
|
|
— |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ский ФМ-Б |
|
|
|
~30 |
1,5-106 |
5 ,0 -10 -з |
170 |
при |
1,1-108 |
300 |
—0,1 |
при |
|
|
|||
Болометр полупровод |
— |
— |
|
||||||||||||||
никовый БКМ-2 |
|
|
|
|
|
|
/м =Ю |
|
|
|
А /= 1 |
Гц |
|
|
|||
Сернистосвннцовые |
ти |
2,1 |
2,7 |
(1 -50)- 106 |
4 -10-5 |
Гц |
Ф„=0,01 Вт |
300 |
10 |
|
|
4 x 7 ,5 |
мм2 |
||||
фоторезисторы |
PbS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
па ФСА |
|
|
|
|
|
|
|
4-105 |
10U при |
295 |
0,1 при |
0,01X0,01 |
|||||
Сернистосвннцовые |
ТГС |
2,7 |
3,1 |
(0 ,3 -0 ,6 )Х |
(30-500) X |
||||||||||||
фоторезисторы |
для |
|
|
Х106 |
|
X 10—6 |
|
|
^max |
/ м=1000 |
Гц |
мм2, амери |
|||||
и теплопелепгаторов |
|
|
|
|
|
|
|
|
1016 при |
и |
Д /= 1 |
Гц |
канские |
||||
(PbS) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7"—500 |
К |
|
|
|
|
образцы |
|
|
|
|
2,7 |
3,1 |
(3 —б) ■ю« |
(0,8 —1) • 10 з |
3- 105 |
5- ЮН при |
195 |
1,0 |
|
То же |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ш-тх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2-10") |
при |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/'=500 |
К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.0 |
- 1 , 1 |
(6—12) |
106 |
(0,5—3 )-Ю-з |
2-10Ь |
3- 10П при |
77 |
1,о |
|
" |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5- 109 при |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/’=500 |
К |
|
|
|
|
|
|
Селенистосвницовые |
3,0 |
•1 ,о |
(30 - loo) |
ш-< |
(2 -5)10-6 |
2- Юз |
5-108 при |
300 |
5 - 1 0 |
|
1X 1 мм2 |
||||||
фоторезисторы типа СФЧ |
|
|
|
|
|
|
|
/'=573 К при |
|
|
|
|
1,7X1,7 |
мм2 |
|||
(PbSc) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ м=1200 Гц |
|
|
|
|
и др. |
|
Сл
Сурьмянистоиндиевые |
5,0 |
5,5 |
(2 10) 103 |
10-6 |
2- НМ |
7- 10Ш |
77 |
0,1 при |
0,5X 0,5 мм-’, |
||||
СО (InSb) фоторезисторы |
|
|
|
|
|
при Х,„;1х |
/м — ЮОО Гц |
американ |
|||||
ю |
|
|
|
|
|
|
|
1018 при |
и |
А/ = 1 Гц |
ские образ |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Г=500 |
К |
|
|
|
цы |
Фоторезисторы герма |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ниевые, легированные: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ртутыо (Ge : Hg) |
10 |
14 |
0,5-106 |
0,1-10-6 |
1,5-105 |
5- 1016 |
30 |
<5 |
Диаметр |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
при Хтах |
|
|
0,3—3,0 мм, |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
американ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ские образ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
цы |
медью (Ge : Си) |
~22 |
до 40 |
20-103 |
0,1-106 |
2-105 |
7-10Ю |
4,2 |
5 |
То же |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
в максимуме |
|
|
|
|
|
цинком |
(Ge : Zn) |
36 |
40 |
3-105^ |
10-8 |
— |
4-109 при |
4,2 |
— |
1 |
см2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
/м = 900 |
Гц |
|
|
|
|
золотом |
(Ge : Аи) |
6 |
9 |
106 |
10-6 |
— |
7,5-109 |
при |
77 |
— |
1 |
см2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ м=900 |
Гц |
|
|
|
|
Фотодиоды |
типа |
0,85 |
1,1 |
— |
10-5 |
5 мА/лм |
— |
|
300 |
— |
|
— |
|
ФДК-1 (кремниевые) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Фотодиоды |
германие |
1,5 |
1,8 |
|
10-5 |
25 мА/лм |
|
|
300 |
|
|
|
|
вые типа ФД-3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|