2.2. Основные параметры и характеристики приемников излучения

В общем случае выходной сигнал электрического приемника излучения (фототок _, фотоЭДС _, или напряжение на выходе ) является функцией потока излучения или энергии излучения , длины световой волны , напряжения на приемнике, частоты модуляции падающего излучения, времени от начала действия излучения, угла падения излучения на чувствительный элемент и т. д., т.е. .

Аналитические или графические зависимости выходного сигнала (или какого-либо параметра с ним связанного) от одной из указанных величин при неизменности остальных принято называть статическими характеристиками. В соответствии с указанными в скобках величинами различают энергетические , спектральные , вольт-амперные , частотные , переходные , угловые и другие характеристики.

Параметрами приемника излучения обычно называют величины, которые определяют статические или динамические свойства приемника в заданной точке или области его характеристики.

Важнейшим параметром любого приемника излучения является чувствительность. Абсолютной монохроматической токовой чувствительностью называется отношение малого изменения фототока приемника к вызвавшему его малому изменению падающего на приемник монохроматического потока излучения с длиной волны , т.е.

. (2.1)

В формуле (2.1) малое изменение монохроматического потока определяется через спектральную плотность потока и малый спектральный интервал :

. (2.2)

При измерении фототока в амперах, а потока излучения в ваттах тковая монохроматическая чувствительность измеряется в А/Вт. При измерении выходного напряжения или ЭДС приемник характеризуют монохроматической вольт-ваттной чувствительностью , измеряемой в В/Вт.

На практике из-за трудностей выделения и измерения малых монохроматических потоков излучения абсолютная монохроматическая чувствительность используется редко, а для описания спектра фоточувствительности приемников пользуются относительной монохроматической чувствительностью

, (2.3)

где - максимальная монохроматическая чувствительность на длине волны

Если на приемник, характеризующийся монохроматической чувствительностью , направляется интегральный поток излучения то, исходя из выражений (2.1) и (2.2), на выходе должен наблюдаться токовый сигнал , а интегральная токовая чувствительность приемника, характеризующегося линейностью преобразования, будет определяться выражением

. (2.4)

Из формул (2.1) и (2.4) следует, что по физическому смыслу монохроматическая и интегральная чувствительности характеризуют эффективность преобразования мощности излучения в электрический сигнал и могут называться коэффициентами преобразования. Подробнее связь параметров и рассмотрена в [2.1], [2.2].

По мере уменьшения падающего на приемник потока излучения и приближения его к пороговому потоку, т. е. наименьшему потоку, который может быть измерен приемником, значение приобретают пороговые параметры. В первую очередь к ним относятся пороговая чувствительность , пороговый поток в полосе частот и нормированная пороговая чувствительность .

Пороговой чувствительностью называют величину, численно равную отношению среднеквадратичного значения выходного сигнала приемника к среднеквадратичному значению шума на выходе в заданной полосе частот при единичном падающем потоке излучения ( 1 Вт), который имеет заданное спектральное распределение и модулирован по гармоническому закону. В соответствии с этим определением, обозначив для упрощения формулы среднеквадратичные значения сигнала С и шума Ш, можно записать

(2.5)

Из выражения (2.5) следует, что пороговая чувствительность измеряется в единицах, обратных единицам мощности излучения. Например, если приемник характеризуется = 1 В/Вт и = 10^–9 В, то = 10⁹ Вт^{– 1}.

Очевидно, что пороговую чувствительности приемника можно повысить, увеличивая чувствительность приемника или снижая уровень его шума . С пороговой чувствительностью однозначно связан пороговый поток приемника в заданной полосе частот :

, (2.6)

который определяют как среднеквадратичное значение действующего на приемник гармонически модулированного потока излучения с заданным спектральным распределением, который на выходе приемника вызывает в полосе частот среднеквадратичное значение сигнала, равное среднеквадратичному значению шума. Формула (2.6) показывает, что в приведенном ранее примере приемник должен характеризоваться среднеквадратичным значением порогового потока 10 ^{– 9} Вт.

Важно обратить внимание на то, что в выражениях (2.5) и (2.6) пороговая чувствительность и пороговый поток определяются при следующих предположениях: во-первых, приемник линейно преобразует в электрический сигнал поток излучения, изменяющийся, как видно из примера, на много порядков, и, во-вторых, уровень шума при этом не зависит от потока излучения. Заметим, что на практике эти условия могут выполняться не всегда.

Для приемников, пороговая чувствительность которых ограничивается пространственно некоррелированными шумами (в таких приемниках все равновеликие участки их приемной площади вносят равновеликие вклады в формирование сигнала и шума), доказано [3], что пороговый поток пропорционален корню квадратному из приемной площади, т. е. = . Если при этом шум, ограничивающий пороговую чувствительность приемника, является белым, т. е. спектральная плотность мощности шума не зависит от частоты, то среднеквадратичное значение порогового потока оказывается также пропорциональным корню квадратному из полосы частот , т. е. .

В связи с этим как более общий параметр, оценивающий шумовые свойства таких приемников, целесообразно использовать удельный пороговый поток

. (2.7)

Из выражения (2.7) следует, что если указанный в предыдущем примере приемник имел площадь см² и полосу = 1 Гц, то его удельный пороговый поток должен быть равным Вт см^–1 Гц^1/2. При этом надо понимать, что другой, физически однотипный с первым, приемник, у которого площадь см² и полоса = 10 Гц, будет характеризоваться на порядок б′ольшим (и, следовательно, худшим) пороговым потоком Вт. Однако это значение, важное с точки зрения практики применения последнего приемника, будучи для сравнения приемников пересчитанным в удельный пороговый поток, даст для второго приемника прежнее значение Вт см^-1 Гц^1/2, которое покажет, что по физическим процессам формирования сигнала и шума эти приемники равноценны.

Наряду с удельным пороговым потоком, значение которого тем меньше, чем более совершенно работает приемник, для сравнения приемников часто используют нормированную пороговую чувствительность – величину, обратную удельному пороговому потоку излучения, т.е.

. (2.8)

Из выражения (2.8) можно видеть, что нормированная пороговая чувствительность , измеряемая обычно в единицах (Вт^1 см Гц^1/2), представляет собой пороговую чувствительность воображаемого приемника излучения с приемной площадью 1 см² и полосой частот = 1 Гц. В соответствии с формулой (2.8) в приведенном ранее примере приемники, имеющие Вт см^–1 Гц^1/2, должны характеризоваться =10⁹ Вт^1 см Гц^1/2.

Кроме рассмотренных величин , , , для удобства сравнения различных приемников с отличающимися размерами приемной площади в практике их разработки, изготовления или исследования нередко пользуются удельным пороговым потоком приемника с заданной приемной площадью, рассчитанным для единичной полосы частот. По-русски этот параметр обычно называют мощностью, эквивалентной шуму (МЭШ), а по-английски – Noise Equivalent Power (NEP). Исходя из изложенного,

МЭШ = . (2.9)

Из формулы (2.9) видно, что МЭШ измеряют в единицах (Вт Гц^1/2).

Следующий по значимости параметр - инерционность (или быстродействие) приемников излучения оценивают величиной, называемой постоянная времени , т. е. отрезком времени, за который выходной сигнал облученного приемника, имеющего экспоненциальную переходную характеристику, уменьшается в 2,718… раз при мгновенном прекращении облучения. На практике постоянную времени определяют по переходной, амплитудно-частотной или импульсной характеристикам (подробно см. [2.2])

К параметрам приемников излучения также относятся [2.2]: приемная площадь , напряжение питания , электрическое сопротивление приемника , частота модуляции потока излучения , спектральная область чувствительности , рабочая температура приемника .