Hluk výstřelu byl poprvé vyvinut německým fyzikem, jmenovitě „Walterem Schottkym“, který sehrál hlavní roli v rozšíření teorie emise elektronů a iontů. Při práci na termoelektrických ventilech nebo vakuových trubicích si všiml, že i když byly odstraněny všechny vnější zdroje hluku, zůstaly dva druhy hluku. Jedna, kterou určil, byla výsledkem teploty, která je známá jako tepelný šum, zatímco zbývající je hluk výstřelu. v elektrické obvody Existují různé typy zdrojů hluku, jako je johnsonův/tepelný šum, výstřelový šum, šum 1/f nebo růžový/blikající šum. Tento článek pojednává o přehledu a výstřelový hluk – práce s aplikacemi.
Co je Shot Noise?
Typ elektronického šumu vytvořeného diskrétní povahou elektrického náboje je známý jako výstřelový šum. V elektronických obvodech má tento šum náhodné kolísání stejnosměrného proudu, protože proud má ve skutečnosti tok elektronů. Tento hluk je patrný především v polovodičová zařízení jako jsou Schottkyho bariérové diody, PN přechody a tunelové přechody. Na rozdíl od tepelného šumu, tento hluk závisí hlavně na toku proudu a je patrnější v zařízeních pro tunelování PN.
Hluk výstřelu je významný u extrémně malých proudů hlavně při měření v krátkých časových měřítcích. Tento hluk je zvláště patrný, když úrovně proudu nejsou vysoké. Je to tedy způsobeno především statistickým průtokem proudu.
Výstřelový šumový obvod
Experimentální nastavení šumu výstřelu s fotomontážním obvodem je uvedeno níže. Toto nastavení obsahuje žárovku s proměnnou svítivostí a fotodioda které jsou zapojeny do jednoduchého obvodu. V následujícím obvodu se multimetr používá k měření napájecího napětí na RF rezistoru, který je zapojen do série s fotoobvodem.
Přepínač v obvodu volí, zda může být fotoproud (nebo) kalibrační signál předán zbytku obvodu. Operační zesilovač, který je na pravé straně, je zapojen paralelně s rezistorem, což způsobuje, že montážní krabice výstřelu má přibližně desetinásobné zesílení.
Osciloskop se používá k digitálnímu začlenění výsledného šumového signálu. Funkční generátor se používá v sérii s atenuátorem pro nastavení křivky zesílení. Zde jsme zahájili experiment Shot noise s velmi pečlivou kalibrací měřicího řetězce prostřednictvím zeslabeného sinusového signálu pomocí funkčního generátoru. Zaznamená se zisk (g(f) = Vout(f)/Vin(f)).
Během tohoto experimentu jsme jednoduše zaznamenali RMS napětí šumu, které je měřeno osciloskopem 20krát pro 8 různých napětí v rámci světelného fotoobvodu VF. Poté jsme přerušili fotografický obvod a zaznamenali úroveň šumu v pozadí.
V tomto obvodu se může měřený šum mírně změnit v závislosti na integračním čase využívaném osciloskopem, avšak toto se pohybuje v řádu 0,1% nejistoty a můžeme to ignorovat, protože je ovládán nejistotou způsobenou náhodné kolísání napětí.
Shot Noise Current Formule
Šum výstřelu nastává, když proud prochází skrz a PN přechod . Existují různé křižovatky integrované obvody . Překročení bariéry je jednoduše náhodné a produkovaný stejnosměrný proud je součtem různých náhodných elementárních proudových signálů. Tento šum je stabilní nad všemi frekvencemi. Vzorec proudu výstřelu je uveden níže.
In = √2qIΔf
Kde,
„q“ je náboj na elektronu, který je ekvivalentní 1,6 × 10-19 coulombů.
„I“ je tok proudu skrz křižovatku.
„Δf“ je šířka pásma v Hertzech.
Rozdíl B/W Shot Noise, Johnson Noise & Impulse Noise
Rozdíl mezi šumem výstřelu, Johnsonovým šumem a impulzním šumem je diskutován níže.
|
Výstřelový hluk |
Johnsonův hluk |
Impulzní hluk |
| Hluk, který vzniká kvůli diskrétní povaze nábojů nesených elektrony/dírami, se nazývá hluk výstřelu. | Hluk, který vzniká tepelným mícháním nosičů náboje, je známý jako Johnsonův šum. | Hluk, který vydává rychlý ostrý zvuk, jinak rychlý třesk délky výstřelu jako výstřel, se nazývá impulsní hluk. |
| Tento šum je také známý jako kvantový šum. | Johnsonův šum se také nazývá Nyquistův šum/tepelný šum. | Impulzní hluk je také známý jako prasklý hluk. |
| Tento hluk je nezávislý na frekvenci a teplotě. | Tento hluk je úměrný teplotě. | Toto není závislé na teplotě. |
| Tento šum se vyskytuje hlavně při počítání fotonů v optických zařízeních, kdekoli je tento šum spojen s částicovou povahou paprsku. | Tepelný šum vzniká hlavně náhodným pohybem volných elektronů ve vodiči, který je důsledkem tepelného míchání. | Impulzní šum se vyskytuje hlavně při bouřkách a přechodech napětí prostřednictvím elektromechanických spínacích systémů. |
Výhody a nevýhody
The výhody hluku výstřelu zahrnout následující.
- Hluk výstřelu na vysokých frekvencích je limitujícím šumem pro pozemní detektory.
- Tento šum jednoduše poskytuje cenné informace o základních fyzikálních procesech nad rámec jiných experimentálních metod.
- Protože se síla signálu zvyšuje rychleji, snižuje se relativní podíl šumu výstřelu a zvyšuje se poměr S/N.
The nevýhody hluku výstřelu zahrnout následující.
- Tento šum je jednoduše způsoben kolísáním počtu detekovaných fotonů na fotodiodě.
- Potřebuje úpravu dat po měření, aby se kompenzovala ztráta signálu kvůli dolní propusti (LPF) vytvořené přes tunelový spoj.
- Toto je kvantově omezený hluk. Různé lasery jsou velmi blízko šumu výstřelu, jako minimum pro frekvence s vysokým šumem.
Aplikace
The aplikace výstřelového hluku zahrnout následující.
- Tento šum je viditelný hlavně v polovodičových zařízeních, jako jsou PN přechody, tunelové přechody a Schottkyho bariérové diody.
- Je významný v základní fyzice, optické detekci, elektronice, telekomunikacích atd.
- S tímto typem šumu se setkáváme v elektronických a RF obvodech jako účinek zrnité proudové povahy.
- Tento hluk je velmi významný v systému s velmi nízkou spotřebou.
- Tento šum koreluje s kvantovanou povahou náboje a injekcí individuální nosné v celém pn-přechodu.
- Tento šum se jednoduše odlišuje od kolísání proudu v rovnováze, ke kterému dochází bez jakéhokoli napětí a bez jakéhokoli normálního toku proudu.
- Výstřelový šum je časově závislé kolísání elektrického proudu, které je způsobeno diskrétností elektronového náboje.
Q). Proč se šumu výstřelu říká bílý šum?
A). Tento šum je často známý jako bílý šum, protože má konzistentní spektrální hustotu. Mezi hlavní příklady bílého šumu patří výstřelový šum a tepelný šum.
Q). Co je faktor hluku v komunikaci?
Je to míra degradace poměru S/N v zařízení. Je to tedy poměr poměru S/N na i/p k poměru S/N na výstupu.
Q). Co je to výstřelový šum ve fotodetektoru?
A). Šum výstřelu ve fotodetektoru při detekci optické homodyny je připisován buď kolísání nulového bodu kvantovaného elektromagnetického pole, jinak samostatné povaze postupu absorpce fotonů.
Q). Jak se měří hluk výstřelu?
A). Tento hluk se měří pomocí tohoto podobného hluku výstřelu = 10 log(2hν/P) v dBc/Hz). „c“ v dBc je relativní k signálu, takže násobíme výkonem signálu „P“, abychom získali výkon výstřelu v rámci dBm/Hz.
Q). Jak snížíte výstřelový šum?
Tento hluk lze snížit o
- Zvýšení síly signálu: Zvýšení množství proudu v systému sníží relativní příspěvek šumu výstřelu.
- Zprůměrování signálu: Zprůměrování vícenásobných měření stejného signálu sníží šum výstřelu, protože šum bude v průběhu času zprůměrován.
- Implementace šumových filtrů: Filtry, jako jsou nízkofrekvenční filtry, lze použít k odstranění vysokofrekvenčních složek šumu ze signálu.
- Snížení teploty: Zvýšení teploty systému zvýší množství tepelného šumu, takže hluk výstřelu bude relativně méně významný.
- Výběr správného detektoru: Použití detektoru s větší aktivní plochou nebo vyšší účinností sběru elektronů může snížit dopad hluku výstřelu.
Tedy, toto je přehled hluku výstřelu a její aplikace. Obvykle k tomuto šumu dochází vždy, když existuje rozdíl napětí nebo potenciální bariéra. Jakmile nosiče náboje, jako jsou díry a elektrony, překročí bariéru, pak může být generován tento šum. Například tranzistor, dioda a elektronka budou generovat výstřel. Zde je pro vás otázka, co je hluk?
