Hluk výstrelu bol prvýkrát vyvinutý nemeckým fyzikom „Walterom Schottkym“, ktorý zohral hlavnú úlohu v rozšírení teórie elektrónovej a iónovej emisie. Pri práci na termoelektrických ventiloch alebo vákuových trubiciach zistil, že aj keď boli odstránené všetky vonkajšie zdroje hluku, zostali dva druhy hluku. Jeden, ktorý určil, bol výsledkom teploty, ktorá je známa ako tepelný šum, zatiaľ čo ten zostávajúci je hluk výstrelu. In elektrické obvody , existujú rôzne typy zdrojov hluku, ako napríklad johnson/termálny šum, výstrelový šum, šum 1/f alebo ružový/blikajúci šum. Tento článok pojednáva o prehľade a hluk výstrelu - práca s aplikáciami.
Čo je to Shot Noise?
Typ elektronického šumu vytvoreného diskrétnou povahou elektrického náboja je známy ako výstrelový šum. V elektronických obvodoch má tento šum náhodné kolísanie jednosmerného prúdu, pretože prúd má v skutočnosti tok elektrónov. Tento hluk je badateľný hlavne v polovodičové zariadenia ako Schottkyho bariérové diódy, PN prechody a tunelové spojenia. Nie ako tepelný hluk, tento hluk závisí hlavne od toku prúdu a je zreteľnejší v zariadeniach na tunelovanie PN.
Hluk výstrelu je významný pri extrémne malých prúdoch hlavne pri meraní v krátkych časových intervaloch. Tento hluk je obzvlášť viditeľný, keď úrovne prúdu nie sú vysoké. Čiže je to hlavne kvôli štatistickému toku prúdu.
Okruh výstrelu
Experimentálne nastavenie šumu výstrelu s obvodom zostavy fotografie je uvedené nižšie. Toto nastavenie obsahuje žiarovku s premenlivou intenzitou a fotodióda ktoré sú zapojené do jednoduchého obvodu. V nasledujúcom obvode sa multimeter používa na meranie napätia na RF rezistore, ktorý je zapojený do série s fotoobvodom.
Prepínač v obvode vyberá, či môže byť fotoprúd (alebo) kalibračný signál odovzdaný zvyšku obvodu. Operačný zosilňovač, ktorý je na pravej strane, je zapojený paralelne s rezistorom, čo spôsobuje, že montážna krabica výstrelu má približne desaťnásobný zisk.
Osciloskop sa používa na digitálne začlenenie výsledného šumového signálu. Funkčný generátor sa používa v sérii s atenuátorom na nastavenie krivky zosilnenia. Tu sme začali experiment Shot noise s veľmi starostlivou kalibráciou meracieho reťazca prostredníctvom zoslabeného sínusového signálu pomocou funkčného generátora. Zaznamená sa zisk (g(f) = Vout(f)/Vin(f)).
Počas tohto experimentu sme jednoducho zaznamenali RMS napätie šumu, ktoré je merané osciloskopom 20-krát pre 8 rôznych napätí v rámci svetelného fotoobvodu VF. Potom sme prerušili fotografický okruh a zaznamenali úroveň hluku v pozadí.
V tomto obvode sa meraný šum môže mierne meniť v závislosti od integračného času využívaného osciloskopom, avšak toto je v rozsahu rádovo 0,1 % neistoty a môžeme to ignorovať, pretože dominuje neistota spôsobená náhodné výkyvy v rámci napätia.
Vzorec prúdu výstrelu
Výstrelný hluk vzniká, keď prúd preteká cez a PN križovatka . Nachádzajú sa tu rôzne križovatky integrované obvody . Prekročenie bariéry je jednoducho náhodné a produkovaný jednosmerný prúd je súčtom rôznych náhodných elementárnych prúdových signálov. Tento hluk je stabilný nad všetkými frekvenciami. Vzorec prúdu šumu výstrelu je uvedený nižšie.
In = √2qIΔf
Kde,
„q“ je náboj na elektróne, ktorý zodpovedá 1,6 × 10-19 coulombom.
„I“ je tok prúdu cez križovatku.
„Δf“ je šírka pásma v Hertzoch.
Rozdiel medzi čiernobielym hlukom výstrelu, šumom Johnsona a impulzným hlukom
Rozdiel medzi hlukom výstrelu, Johnsonovým hlukom a impulzným hlukom je diskutovaný nižšie.
|
Výstrel Hluk |
Johnson Noise |
Impulzný hluk |
| Hluk, ktorý vzniká v dôsledku diskrétnej povahy nábojov prenášaných elektrónmi/dierami, je známy ako hluk výstrelu. | Hluk, ktorý vzniká tepelným miešaním nosičov náboja, je známy ako Johnsonov šum. | Hluk, ktorý má rýchly ostrý zvuk, inak rýchly tresk dĺžky výstrelu ako výstrel, je známy ako impulzný hluk. |
| Tento hluk je známy aj ako kvantový šum. | Johnsonov šum sa tiež nazýva Nyquistov šum/tepelný šum. | Impulzný hluk je známy aj ako nárazový hluk. |
| Tento hluk je nezávislý na frekvencii a teplote. | Tento hluk je úmerný teplote. | Toto nie je závislé od teploty. |
| Tento šum sa vyskytuje hlavne pri počítaní fotónov v optických zariadeniach, kdekoľvek je tento šum spojený s časticovou povahou lúča. | Tepelný šum vzniká hlavne náhodným pohybom voľných elektrónov vo vodiči, ktorý je výsledkom tepelného miešania. | Impulzný hluk sa vyskytuje hlavne pri búrkach a napäťových prechodoch cez elektromechanické spínacie systémy. |
Výhody a nevýhody
The výhody hluku výstrelu zahŕňajú nasledujúce.
- Hluk výstrelu pri vysokých frekvenciách je limitujúcim šumom pre pozemné detektory.
- Tento šum jednoducho poskytuje cenné informácie o základných fyzikálnych procesoch nad rámec iných experimentálnych metód.
- Keďže sa sila signálu zvyšuje rýchlejšie, relatívny podiel šumu výstrelu sa znižuje a pomer S/N sa zvyšuje.
The nevýhody hluku výstrelu zahŕňajú nasledujúce.
- Tento šum je jednoducho spôsobený kolísaním v počte detekovaných fotónov na fotodióde.
- Potrebuje úpravu údajov po meraní, aby sa kompenzovala strata signálu v dôsledku dolnopriepustného filtra (LPF) vytvoreného cez križovatku tunela.
- Toto je kvantovo obmedzená intenzita hluku. Rôzne lasery sú veľmi blízko šumu výstrelu, ako minimum pre vysokošumové frekvencie.
Aplikácie
The aplikácie výstrelového hluku zahŕňajú nasledujúce.
- Tento šum je viditeľný hlavne v polovodičových zariadeniach, ako sú PN prechody, tunelové spojenia a Schottkyho bariérové diódy.
- Je významný v základnej fyzike, optickej detekcii, elektronike, telekomunikáciách atď.
- Tento typ šumu sa vyskytuje v elektronických a RF obvodoch ako účinok zrnitej povahy prúdu.
- Tento hluk je veľmi významný v systéme s veľmi nízkou spotrebou energie.
- Tento šum koreluje s kvantovanou povahou náboja a individuálnym vstrekovaním nosiča cez pn-spoj.
- Tento šum sa jednoducho odlišuje od kolísania prúdu v rovnováhe, ku ktorému dochádza bez akéhokoľvek použitého napätia a bez akéhokoľvek normálneho toku prúdu.
- Šum výstrelu je časovo závislé kolísanie elektrického prúdu, ktoré je spôsobené diskrétnosťou elektrónového náboja.
Q). Prečo sa šum výstrelu nazýva biely šum?
A). Tento šum je často známy ako biely šum, pretože má konzistentnú spektrálnu hustotu. Hlavnými príkladmi bieleho šumu sú šum výstrelu a tepelný šum.
Q). Čo je to hlukový faktor v komunikácii?
Je to miera degradácie pomeru S/N v rámci zariadenia. Je to teda pomer pomeru S/N na i/p k pomeru S/N na výstupe.
Q). Čo je to šum pri výstrele vo fotodetektore?
A). Šum výstrelu vo fotodetektore pri detekcii optického homodynu sa pripisuje buď fluktuáciám nulového bodu kvantovaného elektromagnetického poľa, inak oddelenej povahe postupu absorpcie fotónov.
Q). Ako sa meria hluk výstrelu?
A). Tento hluk sa meria pomocou tohto podobného hluku výstrelu = 10 log (2hν/P) v dBc/Hz). „c“ v rámci dBc je relatívne k signálu, takže vynásobíme výkon signálu „P“, aby sme získali výkon výstrelu v rámci dBm/Hz.
Q). Ako znížite šum pri streľbe?
Tento hluk je možné znížiť o
- Zvýšenie sily signálu: Zvýšenie množstva prúdu v systéme zníži relatívny príspevok hluku výstrelu.
- Spriemerovanie signálu: Spriemerovanie viacerých meraní toho istého signálu zníži šum výstrelu, pretože šum sa v priebehu času spriemeruje.
- Implementácia šumových filtrov: Filtre ako dolnopriepustné filtre možno použiť na odstránenie vysokofrekvenčných šumových zložiek zo signálu.
- Zníženie teploty: Zvýšenie teploty systému zvýši množstvo tepelného šumu, takže hluk výstrelu bude relatívne menej významný.
- Výber správneho detektora: Použitie detektora s väčšou aktívnou plochou alebo vyššou účinnosťou zberu elektrónov môže znížiť vplyv hluku výstrelu.
Teda toto je prehľad hluku výstrelu a jeho aplikácií. Zvyčajne sa tento hluk vyskytuje vždy, keď existuje rozdiel napätia alebo potenciálna bariéra. Akonáhle nosiče náboja, ako sú diery a elektróny, prekročia bariéru, môže sa vytvoriť tento šum. Napríklad tranzistor, dióda a vákuová elektrónka budú generovať výstrel. Tu je otázka pre vás, čo je hluk?
