Lövészaj: áramkör, működés, vs Johnson zaj és impulzuszaj és alkalmazásai

A lövészajt először a német fizikus, Walter Schottky fejlesztette ki, aki főszerepet játszott az elektron- és ionemissziós elmélet kiterjesztésében. Miközben termikus szelepeken vagy vákuumcsöveken dolgozott, megfigyelte, hogy még akkor is, ha minden külső zajforrást eltávolítottak, kétféle zaj maradt fenn. Az egyiket a hőmérséklet eredményeként határozta meg, amelyet termikus zajnak neveznek, míg a fennmaradó lövészaj. Ban ben elektromos áramkörök , különböző típusú zajforrások léteznek, mint például a johnson/termikus zaj, a lövészaj, az 1/f-zaj vagy a Pink/Flicker zaj. Ez a cikk áttekintést nyújt a lövészaj – alkalmazásokkal való munka.

Mi az a Shot Noise?

Az elektromos töltés diszkrét természetéből származó elektronikus zaj egyfajta lövészajként ismert. Az elektronikus áramkörökben ez a zaj véletlenszerű ingadozásokkal rendelkezik az egyenáramban, mivel az áramnak valójában elektronáramlása van. Ez a zaj elsősorban a készülékben észlelhető félvezető eszközök mint a Schottky sorompódiódák, PN csomópontok és alagútcsatlakozások. Nem úgy, mint a termikus zaj, ez a zaj főként az áram áramlásától függ, és sokkal nyilvánvalóbb a PN alagútcsatlakozó eszközökben.

A lövészaj extrém kis áramerősség mellett főleg rövid időskálán történő mérés esetén jelentős. Ez a zaj különösen észrevehető, ha az áramszintek nem magasak. Ez tehát elsősorban a statisztikai áramáramlásnak köszönhető.

Shot Noise Circuit

Az alábbiakban látható a felvételzaj kísérleti elrendezése fotó-összeszerelő áramkörrel. Ez a beállítás változó intenzitású izzót és fotodióda amelyek egy egyszerű áramkörhöz kapcsolódnak. A következő áramkörben a multiméter a fotoáramkörrel sorba kapcsolt RF ellenálláson keresztüli feszültség mérésére szolgál.

Az áramkörben egy kapcsoló választja ki, hogy a fényáram (vagy) a kalibrációs jel továbbítható-e az áramkör többi részére. A jobb oldalon található op-amp párhuzamosan van csatlakoztatva az ellenállással, aminek következtében a lövészaj szerelvénydoboz körülbelül tízszeres erősítéssel rendelkezik.

Az oszcilloszkóp a keletkező zajjel digitális beépítésére szolgál. Egy funkciógenerátort használnak sorba egy csillapítóval az erősítési görbe beállítására. Itt elkezdtük a Shot noise kísérletet a mérési lánc nagyon gondos kalibrálásával egy csillapított szinuszos jelen keresztül, függvénygenerátor segítségével. Az erősítést rögzítjük (g(f) = Vout(f)/Vin(f)).

A kísérlet során egyszerűen feljegyeztük a zaj RMS feszültségét, amelyet az oszcilloszkóp 20-szor mért 8 különböző feszültség esetén a VF fényfotó áramkörön belül. Ezt követően megszakítottuk a fényképező áramkört, és rögzítettük a zajszintet a háttérben.

Ebben az áramkörben a mért zaj az oszcilloszkóp által felhasznált integrációs idő függvényében kismértékben változtatható, azonban ez 0,1% bizonytalanság nagyságrendű, és figyelmen kívül hagyhatjuk, mivel az oszcilloszkóp által okozott bizonytalanság dominál. véletlenszerű ingadozások a feszültségen belül.

Shot Noise Current Formula

Lövészaj akkor lép fel, amikor az áram az a PN csomópont . Különféle csomópontok vannak jelen integrált áramkörök . Az akadályátlépés egyszerűen véletlenszerű, és a termelt egyenáram különböző véletlenszerű elemi áramjelek összege. Ez a zaj minden frekvencia felett stabil. Az alábbi képlet látható.

In = √2qIΔf

Ahol,

A „q” az elektron töltése, amely 1,6 × 10–19 coulombnak felel meg.

Az „I” az áram áramlása a csomópontban.

A „Δf” a sávszélesség Hertzben.

Különbség a fekete-fehér felvételzaj, a Johnson-zaj és az impulzuszaj között

A lövészaj, a Johnson-zaj és az impulzuszaj közötti különbséget az alábbiakban tárgyaljuk.

Előnyök és hátrányok

A a lövészaj előnyei a következőket tartalmazzák.

• A magas frekvenciájú lövészaj korlátozza a földi detektorok zaját.
• Ez a zaj egyszerűen értékes információkat nyújt az alapvető fizikai folyamatokról, túlmutatva más kísérleti módszereken.
• Mivel a jelerősség gyorsabban növekszik, a felvételi zaj relatív aránya csökken, és az S/N arány nő.

A a lövészaj hátrányai a következőket tartalmazzák.

• Ezt a zajt egyszerűen a fotodiódán észlelt fotonok számának ingadozása okozza.
• A mérési adatok utólagos módosítására van szükség, hogy kompenzálja az alagút csomóponton keresztül kialakított aluláteresztő szűrő (LPF) miatti jelveszteséget.
• Ez egy kvantumkorlátozott intenzitású zaj. A különféle lézerek nagyon közel állnak a felvételi zajhoz, legalább a magas zajfrekvenciákhoz.

Alkalmazások

A lövészaj alkalmazásai a következőket tartalmazzák.

• Ez a zaj főleg a félvezető eszközökben látható, mint például a PN csomópontok, alagútcsatlakozások és a Schottky-gátdiódák.
• Jelentős az alapvető fizikában, az optikai érzékelésben, az elektronikában, a távközlésben stb.
• Ez a fajta zaj az elektronikus és RF áramkörökben a szemcsés áram természetéből adódóan előfordul.
• Ez a zaj nagyon jelzésértékű egy nagyon alacsony energiafogyasztású rendszerben.
• Ez a zaj korrelál a kvantált töltés jellegével és az egyéni hordozó befecskendezésével a pn-átmenetben.
• Ezt a zajt egyszerűen megkülönböztetik az áram egyensúlyi ingadozásaitól, amelyek feszültség és normál áramáramlás nélkül lépnek fel.
• A lövészaj az elektromos áram időfüggő ingadozása, amelyet az elektrontöltés diszkrétsége okoz.

Q). Miért nevezik a Shot Noise-t fehér zajnak?

A). Ezt a zajt gyakran fehér zajnak nevezik, mivel állandó spektrális sűrűsége van. A fehér zaj fő példái a Shot noise és a Thermal noise.

Q). Mi a zajtényező a kommunikációban?

Ez az eszközön belüli S/N arány csökkenésének mértéke. Tehát ez az i/p S/N arány és a kimeneti S/N arány aránya.

Q). Mi az a Shot Noise a Photodetektorban?

A). Az optikai homodin detektálásánál a fotodetektoron belüli lövészaj vagy a kvantált elektromágneses tér nullponti ingadozásainak tulajdonítható, egyébként pedig a fotonabszorpciós eljárás különálló természetének.

Q). Hogyan mérik a lövészajt?

A). Ezt a zajt a következőképpen mérjük, mint a lövészaj = 10 log(2hν/P) dBc/Hz-ben). A dBc-n belüli „c” a jelhez viszonyított, így a „P” jelteljesítményt megszorozzuk, hogy megkapjuk a dBm/Hz-en belüli felvételi zajteljesítményt.

Q). Hogyan csökkenti a Shot Noise-t?

Ez a zaj csökkenthető

1. A jelerősség növelése: A rendszerben lévő áramerősség növelése csökkenti a lövészaj relatív hozzájárulását.
2. A jel átlagolása: Ugyanazon jel többszöri mérésének átlaga csökkenti a felvételi zajt, mivel a zaj idővel átlagolódik.
3. Zajszűrők megvalósítása: A szűrők, például az aluláteresztő szűrők használhatók a nagyfrekvenciás zajkomponensek eltávolítására a jelből.
4. Hőmérséklet csökkentése: A rendszer hőmérsékletének növelése növeli a hőzaj mértékét, így a lövészaj relatíve kevésbé jelentős.
5. A megfelelő detektor kiválasztása: Nagyobb aktív területtel vagy nagyobb elektrongyűjtési hatásfokkal rendelkező detektor használata csökkentheti a lövészaj hatását.

Tehát ez az a lövészaj áttekintése és alkalmazásai. Általában ez a zaj akkor fordul elő, amikor feszültségkülönbség vagy potenciálgát van. Amint a töltéshordozók, mint a lyukak és az elektronok, átlépik a gátat, akkor ez a zaj létrejöhet. Például egy tranzisztor, egy dióda és egy vákuumcső mind lövészajt generál. Itt egy kérdés, hogy mi a zaj?