Zgomotul de împușcare a fost dezvoltat pentru prima dată de fizicianul german și anume „Walter Schottky”, care a jucat un rol principal în extinderea teoriei emisiilor de electroni și ioni. În timp ce lucra la supapele termoionice sau la tuburile de vid, el a observat că, chiar și atunci când toate sursele externe de zgomot au fost îndepărtate, au rămas două tipuri de zgomot. Unul pe care a determinat-o a fost un rezultat al temperaturii, care este cunoscut sub numele de zgomot termic, în timp ce cel rămas este zgomot de împușcare. În circuite electrice , există diferite tipuri de surse de zgomot, cum ar fi zgomot johnson/termic, zgomot împușcat, zgomot 1/f sau zgomot roz/pâlpâire. Acest articol discută o prezentare generală a unui zgomot de împușcături – lucrul cu aplicații.
Ce este Shot Noise?
Un tip de zgomot electronic creat din natura discretă a sarcinii electrice este cunoscut sub numele de zgomot de împușcare. În circuitele electronice, acest zgomot are fluctuații aleatorii într-un curent continuu, deoarece de fapt curentul are un flux de electroni. Acest zgomot este vizibil în principal în dispozitive semiconductoare precum diodele de barieră Schottky, joncțiunile PN și joncțiunile tunel. Nu ca zgomotul termic, acest zgomot depinde în principal de fluxul de curent și este mai evident în dispozitivele de joncțiune de tunel PN.
Zgomotul de împușcare este semnificativ cu curenți extrem de mici, în principal atunci când se măsoară pe scale de timp scurte. Acest zgomot este deosebit de vizibil ori de câte ori nivelurile de curent nu sunt ridicate. Deci, acest lucru se datorează în principal fluxului de curent statistic.
Circuit de zgomot de împușcare
Configurația experimentală a zgomotului de fotografiere cu un circuit de asamblare foto este prezentată mai jos. Această configurație include un bec cu intensitate variabilă și fotodiodă care sunt conectate la un circuit simplu. În următorul circuit, multimetrul este utilizat pentru a măsura tensiunea de alimentare la un rezistor RF care este conectat în serie cu circuitul foto.
Un comutator din circuit alege dacă fotocurentul (sau) semnalul de calibrare poate fi dat restului circuitului. Op-amp-ul care se află în partea dreaptă este conectat în paralel cu rezistența, ceea ce face ca caseta de asamblare a zgomotului de împușcare să aibă un câștig de aproximativ zece ori mai mare.
Osciloscopul este utilizat pentru a încorpora digital semnalul de zgomot rezultat. Un generator de funcții este utilizat în serie cu un atenuator pentru a regla curba câștigului. Aici, am început experimentul Shot noise cu o calibrare foarte atentă a lanțului de măsurare printr-un semnal sinusoidal atenuat folosind un generator de funcții. Câștigul este înregistrat (g(f) = Vout(f)/Vin(f)).
În timpul acestui experiment, am înregistrat pur și simplu tensiunea RMS a zgomotului care este măsurată de osciloscop de 20 de ori pentru 8 tensiuni diferite în cadrul circuitului foto de lumină VF. După aceea, am întrerupt circuitul foto și am înregistrat nivelul de zgomot în fundal.
În acest circuit, zgomotul care este măsurat poate fi ușor modificat în funcție de timpul de integrare utilizat de osciloscop, cu toate acestea, acesta este variat de ordinul a 0,1% incertitudine și îl putem ignora, deoarece este dominat de incertitudinea cauzată de fluctuații aleatorii în cadrul tensiunii.
Formula curentului de zgomot
Zgomotul de împușcătură apare atunci când curentul curge prin a Joncțiune PN . Sunt prezente diverse joncțiuni circuite integrate . Trecerea barierei este pur și simplu aleatorie, iar curentul continuu produs este suma diferitelor semnale de curent elementare aleatorii. Acest zgomot este stabil peste toate frecvențele. Formula curentului de zgomot de tragere este prezentată mai jos.
In = √2qIΔf
Unde,
„q” este sarcina unui electron care este echivalentă cu 1,6 × 10-19 coulombi.
„I” este fluxul de curent prin joncțiune.
„Δf” este lățimea de bandă în Herți.
Diferență B/N Shot Noise, Johnson Noise și Impulse Noise
Diferența dintre zgomotul de împușcare, zgomotul Johnson și zgomotul de impuls sunt discutate mai jos.
|
Zgomot de împușcare |
Johnson Noise |
Zgomot de impuls |
| Zgomotul care apare din cauza naturii discrete a sarcinilor transportate prin electroni/găuri este cunoscut sub numele de zgomot de împușcare. | Zgomotul care este generat prin agitarea termică a purtătorilor de sarcină este cunoscut sub numele de zgomot Johnson. | Zgomotul care reține un sunet rapid și ascuțit, altfel un zgomot rapid de durata împușcăturii, ca o împușcătură, este cunoscut sub numele de zgomot de impuls. |
| Acest zgomot este cunoscut și sub numele de zgomot cuantic. | Zgomotul Johnson se mai numește și zgomot Nyquist/zgomot termic. | Zgomotul de impuls este cunoscut și sub numele de zgomot de explozie. |
| Acest zgomot este independent de frecvență și temperatură. | Acest zgomot este proportional cu temperatura. | Aceasta nu depinde de temperatură. |
| Acest zgomot apare în principal în numărarea fotonilor în cadrul dispozitivelor optice, oriunde acest zgomot este asociat cu natura particulei a fasciculului. | Zgomotul termic apare în principal prin mișcarea aleatorie a electronilor liberi într-un conductor care rezultă din agitația termică. | Zgomotul de impuls apare în principal prin furtunile cu fulgere și tranzitorii de tensiune prin sisteme de comutare electro-mecanice. |
Avantaje și dezavantaje
The avantajele zgomotului de împușcare includ următoarele.
- Zgomotul de împușcare la frecvențe înalte este zgomotul limitator pentru detectoarele terestre.
- Acest zgomot oferă pur și simplu informații valoroase despre procesele fizice de bază dincolo de alte metode experimentale.
- Deoarece puterea semnalului crește mai repede, atunci proporția relativă a zgomotului de fotografiere se reduce și raportul S/N crește.
The dezavantajele zgomotului de împușcare includ următoarele.
- Acest zgomot este cauzat pur și simplu de fluctuațiile în cadrul numărului de fotoni detectați la fotodiodă.
- Are nevoie de o modificare a datelor post-măsurare pentru a compensa pierderea semnalului din cauza filtrului trece-jos (LPF) format prin joncțiunea tunelului.
- Acesta este un zgomot cu intensitate limitată cuantic. Diverse lasere sunt foarte aproape de zgomotul de împușcare, ca minim pentru frecvențele cu zgomot ridicat.
Aplicații
The aplicații ale zgomotului de împușcare includ următoarele.
- Acest zgomot este vizibil în principal în dispozitivele semiconductoare, cum ar fi joncțiunile PN, joncțiunile tunel și diodele de barieră Schottky.
- Este semnificativ în fizica fundamentală, detecția optică, electronică, telecomunicații etc.
- Acest tip de zgomot este întâlnit în circuitele electronice și RF ca efect al naturii curentului granular.
- Acest zgomot este foarte important într-un sistem cu putere foarte scăzută.
- Acest zgomot este corelat cu natura încărcării cuantificate și injecția individuală a purtătorului în întreaga joncțiune pn.
- Acest zgomot se distinge pur și simplu de fluctuațiile curentului în echilibru care apar fără nicio tensiune aplicată și fără nici un flux normal de curent.
- Zgomotul de împușcare este fluctuațiile dependente de timp în cadrul curentului electric care sunt cauzate de caracterul discret al sarcinii electronilor.
Q). De ce zgomotul de fotografiere se numește zgomot alb?
A). Acest zgomot este frecvent cunoscut sub numele de zgomot alb deoarece are o densitate spectrală consistentă. Principalele exemple de zgomot alb sunt zgomot de fotografiere și zgomot termic.
Q). Care este factorul de zgomot în comunicare?
Este măsura degradării raportului S/N într-un dispozitiv. Deci, este raportul dintre raportul S/N la i/p și raportul S/N la ieșire.
Q). Ce este zgomotul de fotografiere în fotodetector?
A). Zgomotul de împușcare în interiorul fotodetectorului în detectarea homodinei optice este atribuit fie fluctuațiilor punctului zero ale câmpului electromagnetic cuantificat, fie naturii separate a procedurii de absorbție a fotonului.
Q). Cum se măsoară zgomotul loviturii?
A). Acest zgomot este măsurat utilizând acest zgomot asemănător loviturii = 10 log(2hν/P) în dBc/Hz). „c” în dBc este relativ la semnal, astfel încât înmulțim prin puterea semnalului „P” pentru a obține puterea de zgomot de tragere în dBm/Hz.
Q). Cum reduceți zgomotul de împușcare?
Acest zgomot poate fi redus prin
- Creșterea puterii semnalului: creșterea cantității de curent în sistem va reduce contribuția relativă a zgomotului de împușcare.
- Media semnalului: Medierea mai multor măsurători ale aceluiași semnal va reduce zgomotul de fotografiere, deoarece zgomotul va fi mediat în timp.
- Implementarea filtrelor de zgomot: filtre precum filtrele trece-jos pot fi utilizate pentru a elimina componentele de zgomot de înaltă frecvență din semnal.
- Reducerea temperaturii: creșterea temperaturii sistemului va crește cantitatea de zgomot termic, făcând zgomotul de împușcare relativ mai puțin semnificativ.
- Alegerea detectorului potrivit: Utilizarea unui detector cu o zonă activă mai mare sau cu o eficiență mai mare de colectare a electronilor poate reduce impactul zgomotului de împușcare.
Astfel, aceasta este o privire de ansamblu asupra zgomotului de împușcare și aplicațiile sale. De obicei, acest zgomot se întâmplă ori de câte ori există o diferenţială de tensiune sau o barieră de potenţial. Odată ce purtătorii de sarcină, cum ar fi găurile și electronii, traversează bariera, atunci acest zgomot poate fi generat. De exemplu, un tranzistor, o diodă și un tub de vid vor genera zgomot de împușcare. Iată o întrebare pentru tine, ce este zgomotul?
