Shot Noise: Circuit, Working, Vs Johnson Noise and Impulse Hałas i jego zastosowania

Hałas wystrzału został po raz pierwszy opracowany przez niemieckiego fizyka „Waltera Schottky'ego”, który odegrał główną rolę w rozwoju teorii emisji elektronów i jonów. Pracując nad zaworami termionowymi lub lampami próżniowymi, zauważył, że nawet po usunięciu wszystkich zewnętrznych źródeł hałasu pozostały dwa rodzaje hałasu. Jeden, który ustalił, był wynikiem temperatury, która jest znana jako szum termiczny, a drugi to dźwięk śrutu. W obwody elektryczne , istnieją różne rodzaje źródeł szumów, takie jak szum johnsona/termiczny, szum śrutu, szum 1/f lub szum różowy/migotanie. W tym artykule omówiono przegląd a odgłos strzału – praca z aplikacjami.

Co to jest dźwięk wystrzału?

Rodzaj szumu elektronicznego powstałego z dyskretnej natury ładunku elektrycznego jest znany jako szum śrutowy. W obwodach elektronicznych ten szum ma przypadkowe fluktuacje w prądzie stałym, ponieważ w rzeczywistości prąd ma przepływ elektronów. Hałas ten jest słyszalny głównie w przyrządy półprzewodnikowe jak diody barierowe Schottky'ego, złącza PN i złącza tunelowe. W przeciwieństwie do szumu termicznego, ten szum zależy głównie od przepływu prądu i jest bardziej widoczny w urządzeniach złączy tunelowych PN.

Hałas śrutu jest znaczny przy bardzo małych prądach, głównie podczas pomiarów w krótkich skalach czasowych. Ten szum jest szczególnie zauważalny, gdy obecne poziomy nie są wysokie. Wynika to głównie ze statystycznego przepływu prądu.

Obwód hałasu wystrzału

Eksperymentalna konfiguracja szumu wystrzału z obwodem fotomontażu jest pokazana poniżej. Ta konfiguracja obejmuje żarówkę o zmiennej intensywności i fotodioda które są połączone prostym obwodem. W poniższym obwodzie multimetr jest używany do pomiaru napięcia zasilania na rezystorze RF, który jest połączony szeregowo z fotoobwodem.

Przełącznik w obwodzie wybiera, czy fotoprąd (lub) sygnał kalibracyjny może być podany do reszty obwodu. Wzmacniacz operacyjny, który znajduje się po prawej stronie, jest połączony równolegle z rezystorem, co powoduje, że skrzynka montażowa szumu strzału ma około dziesięciokrotne wzmocnienie.

Oscyloskop służy do cyfrowego włączenia wynikowego sygnału szumu. Generator funkcji jest używany szeregowo z tłumikiem do regulacji krzywej wzmocnienia. Tutaj rozpoczęliśmy eksperyment z szumem strzału od bardzo dokładnej kalibracji łańcucha pomiarowego za pomocą osłabionego sygnału sinusoidalnego za pomocą generatora funkcji. Rejestruje się wzmocnienie (g(f) = Vout(f)/Vin(f)).

Podczas tego eksperymentu po prostu zarejestrowaliśmy napięcie RMS szumu, które jest mierzone przez oscyloskop 20 razy dla 8 różnych napięć w obwodzie fotoelektrycznym VF. Następnie przerwaliśmy obwód foto i zarejestrowaliśmy poziom hałasu w tle.

W tym obwodzie mierzony szum może się nieznacznie zmieniać w zależności od czasu całkowania wykorzystywanego przez oscyloskop, jednak mieści się on w zakresie niepewności rzędu 0,1% i możemy go zignorować, ponieważ dominuje w nim niepewność spowodowana przez losowe wahania napięcia.

Bieżąca formuła hałasu wystrzału

Hałas wystrzału występuje, gdy prąd przepływa przez a złącze PN . Istnieją różne skrzyżowania obecne na obwody scalone . Przekraczanie barier jest po prostu przypadkowe, a wytwarzany prąd stały jest sumą różnych losowych elementarnych sygnałów prądowych. Hałas ten jest stabilny ponad wszystkimi częstotliwościami. Wzór na prąd wystrzału przedstawiono poniżej.

In = √2qIΔf

Gdzie,

„q” to ładunek elektronu, który odpowiada 1,6 × 10-19 kulombów.

„I” to przepływ prądu przez złącze.

„Δf” to szerokość pasma w hercach.

Różnica Czarno-biały szum strzału, szum Johnsona i szum impulsu

Poniżej omówiono różnicę między hałasem wystrzału, hałasem Johnsona i hałasem impulsowym.

Zalety i wady

The zalety odgłosu strzału zawierać następujące.

• Hałas wystrzału o wysokich częstotliwościach jest hałasem ograniczającym dla detektorów naziemnych.
• Ten szum po prostu dostarcza cennych informacji na temat podstawowych procesów fizycznych poza innymi metodami eksperymentalnymi.
• Ponieważ siła sygnału wzrasta szybciej, względna proporcja szumu wystrzału zmniejsza się, a stosunek sygnału do szumu wzrasta.

The wady odgłosu strzału zawierać następujące.

• Ten szum jest po prostu spowodowany fluktuacjami w liczbie wykrytych fotonów na fotodiodzie.
• Wymaga modyfikacji danych po pomiarze, aby skompensować utratę sygnału z powodu filtra dolnoprzepustowego (LPF) utworzonego przez złącze tunelowe.
• Jest to szum o natężeniu ograniczonym kwantowo. Różne lasery są bardzo bliskie szumowi śrutu, jako minimum dla częstotliwości o wysokim poziomie szumów.

Aplikacje

The zastosowania odgłosu śrutu zawierać następujące.

• Ten szum jest widoczny głównie w urządzeniach półprzewodnikowych, takich jak złącza PN, złącza tunelowe i diody barierowe Schottky'ego.
• Ma znaczenie w fizyce podstawowej, wykrywaniu optycznym, elektronice, telekomunikacji itp.
• Ten rodzaj szumu występuje w obwodach elektronicznych i RF jako efekt ziarnistej natury prądu.
• Ten hałas jest bardzo znaczący w systemie o bardzo małej mocy.
• Ten szum jest skorelowany ze skwantowaną naturą ładunku i indywidualnym wtryskiem nośnej w całym złączu pn.
• Ten szum jest po prostu odróżniany od wahań prądu w stanie równowagi, które występują bez przyłożonego napięcia i bez normalnego przepływu prądu.
• Szum wystrzału to zależne od czasu fluktuacje prądu elektrycznego, które są spowodowane dyskretnością ładunku elektronu.

Q). Dlaczego szum strzału nazywany jest białym szumem?

A). Ten szum jest często nazywany białym szumem, ponieważ ma stałą gęstość widmową. Głównymi przykładami białego szumu są szum strzału i szum termiczny.

Q). Jaki jest współczynnik szumów w komunikacji?

Jest to miara degradacji stosunku sygnału do szumu w urządzeniu. Jest to więc stosunek S/N na i/p do stosunku S/N na wyjściu.

Q). Co to jest szum wystrzału w fotodetektorze?

A). Szum wystrzału w fotodetektorze podczas wykrywania optycznej homodyny jest przypisywany albo fluktuacjom punktu zerowego skwantowanego pola elektromagnetycznego, albo odrębnemu charakterowi procedury absorpcji fotonów.

Q). Jak mierzy się hałas wystrzału?

A). Hałas ten jest mierzony za pomocą szumu wystrzału = 10 log(2hν/P) w dBc/Hz). „C” w dBc odnosi się do sygnału, dlatego mnożymy przez moc sygnału „P”, aby uzyskać moc szumu śrutu w dBm/Hz.

Q). Jak zmniejszyć hałas strzału?

Hałas ten można zredukować m.in

1. Zwiększenie siły sygnału: Zwiększenie ilości prądu w systemie zmniejszy względny udział szumu wystrzału.
2. Uśrednianie sygnału: Uśrednianie wielu pomiarów tego samego sygnału zmniejszy szum wystrzału, ponieważ szum zostanie uśredniony w czasie.
3. Implementacja filtrów szumów: Filtry, takie jak filtry dolnoprzepustowe, mogą być używane do usuwania składowych szumu o wysokiej częstotliwości z sygnału.
4. Obniżenie temperatury: Zwiększenie temperatury systemu zwiększy ilość szumów termicznych, przez co hałas wystrzału będzie stosunkowo mniej znaczący.
5. Wybór odpowiedniego detektora: Użycie detektora o większym obszarze aktywnym lub wyższej wydajności zbierania elektronów może zmniejszyć wpływ szumu śrutowego.

Tak jest przegląd hałasu wystrzału i jego zastosowania. Zwykle ten hałas występuje, gdy występuje różnica napięcia lub bariera potencjału. Gdy nośniki ładunku, takie jak dziury i elektrony, przekroczą barierę, ten hałas może zostać wygenerowany. Na przykład tranzystor, dioda i lampa próżniowa będą generować dźwięk wystrzału. Oto pytanie do ciebie, co to jest hałas?