Дробовой шум был впервые разработан немецким физиком, а именно «Вальтером Шоттки», который сыграл главную роль в расширении теории эмиссии электронов и ионов. Работая над термоэмиссионными клапанами или вакуумными трубками, он заметил, что даже после удаления всех внешних источников шума остаются два вида шума. Один, который он определил, был результатом температуры, известной как тепловой шум, а другой - дробовым шумом. В электрические схемы , существуют различные типы источников шума, такие как шум Джонсона/тепловой шум, дробовой шум, шум 1/f или розовый шум/мерцающий шум. В этой статье обсуждается обзор дробовой шум – работа с приложениями.
Что такое дробовой шум?
Тип электронного шума, создаваемого дискретной природой электрического заряда, известен как дробовой шум. В электронных схемах этот шум вызывает случайные колебания постоянного тока, потому что на самом деле ток имеет поток электронов. Этот шум заметен в основном в полупроводниковые приборы такие как диоды с барьером Шоттки, PN-переходы и туннельные переходы. В отличие от теплового шума, этот шум в основном зависит от протекания тока и более заметен в устройствах с туннельным переходом PN.
Дробовой шум имеет большое значение при очень малых токах, в основном при измерении в коротких масштабах времени. Этот шум особенно заметен, когда уровни тока не высоки. Так что это в основном из-за статистического течения тока.
Схема дробового шума
Экспериментальная установка по дробовому шуму со схемой фотосборки показана ниже. Эта установка включает в себя лампочку переменной интенсивности и фотодиод которые соединены в простую цепь. В следующей схеме мультиметр используется для измерения напряжения на высокочастотном резисторе, подключенном последовательно с фотосхемой.
Переключатель в схеме выбирает, может ли фототок (или) сигнал калибровки быть передан остальной части схемы. Операционный усилитель, который находится справа, подключен параллельно резистору, в результате чего коробка для сборки дробового шума имеет примерно десятикратное усиление.
Осциллограф используется для цифровой обработки результирующего шумового сигнала. Функциональный генератор используется последовательно с аттенюатором для настройки кривой усиления. Здесь мы начали эксперимент с дробовым шумом с очень тщательной калибровки измерительной цепи через ослабленный синусоидальный сигнал с помощью функционального генератора. Коэффициент усиления записывается (g(f) = Vout(f)/Vin(f)).
Во время этого эксперимента мы просто регистрировали среднеквадратичное напряжение шума, которое измерялось осциллографом 20 раз для 8 различных напряжений в пределах светового фотоконтура VF. После этого мы разорвали фотоцепь и зафиксировали уровень шума на заднем плане.
В этой схеме измеренный шум может немного измениться в зависимости от времени интегрирования, используемого осциллографом, однако он колеблется в пределах погрешности порядка 0,1%, и мы можем его игнорировать, так как в нем преобладает неопределенность, вызванная случайные колебания напряжения.
Формула тока дробового шума
Дробовой шум возникает, когда ток протекает через PN-переход . Имеются различные соединения на интегральные схемы . Пересечение барьера является просто случайным, а создаваемый постоянный ток представляет собой сумму различных случайных элементарных токовых сигналов. Этот шум стабилен выше всех частот. Формула тока дробового шума показана ниже.
In = √2qIΔf
Где,
«q» — это заряд электрона, который эквивалентен 1,6 × 10-19 кулонов.
«I» — это ток через переход.
«Δf» — это полоса пропускания в герцах.
Разница в черно-белом дробовом шуме, шуме Джонсона и импульсном шуме
Различия между дробовым шумом, шумом Джонсона и импульсным шумом обсуждаются ниже.
|
Дробовой шум |
Джонсон Шум |
Импульсный шум |
| Шум, возникающий из-за дискретной природы зарядов, переносимых электронами/дырками, известен как дробовой шум. | Шум, создаваемый тепловым движением носителей заряда, известен как шум Джонсона. | Шум, который представляет собой быстрый резкий звук, в противном случае - быстрый взрыв продолжительностью выстрела, такой как выстрел, известен как импульсный шум. |
| Этот шум также известен как квантовый шум. | Шум Джонсона также называют шумом Найквиста/тепловым шумом. | Импульсный шум также известен как импульсный шум. |
| Этот шум не зависит от частоты и температуры. | Этот шум пропорционален температуре. | Это не зависит от температуры. |
| Этот шум в основном возникает при подсчете фотонов в оптических устройствах, везде, где этот шум связан с корпускулярной природой луча. | Тепловой шум в основном возникает из-за хаотического движения свободных электронов внутри проводника в результате теплового возбуждения. | Импульсный шум в основном возникает из-за гроз и переходных процессов напряжения в электромеханических коммутационных системах. |
Преимущества и недостатки
преимущества дробового шума включая следующее.
- Дробовой шум на высоких частотах является ограничивающим шумом для наземных детекторов.
- Этот шум просто предоставляет ценную информацию об основных физических процессах за пределами других экспериментальных методов.
- Поскольку уровень сигнала увеличивается быстрее, относительная доля дробового шума уменьшается, а отношение сигнал/шум увеличивается.
недостатки дробового шума включая следующее.
- Этот шум просто вызван флуктуациями числа фотонов, зарегистрированных на фотодиоде.
- Требуется модификация данных после измерения, чтобы компенсировать потерю сигнала из-за фильтра нижних частот (ФНЧ), сформированного через туннельный переход.
- Это квантово-ограниченный шум интенсивности. Различные лазеры очень близки к дробовому шуму, как минимум на высоких шумовых частотах.
Приложения
применение дробового шума включая следующее.
- Этот шум в основном виден в полупроводниковых устройствах, таких как PN-переходы, туннельные переходы и диоды с барьером Шоттки.
- Это важно в фундаментальной физике, оптическом обнаружении, электронике, телекоммуникациях и т. Д.
- Этот тип шума встречается в электронных и радиочастотных цепях как следствие гранулярной природы тока.
- Этот шум имеет большое значение в системе с очень низким энергопотреблением.
- Этот шум коррелирует с квантованной природой заряда и инжекцией отдельных носителей по всему p-n-переходу.
- Этот шум просто отличается от флуктуаций тока в равновесии, которые происходят без какого-либо приложения напряжения и без какого-либо нормального протекания тока.
- Дробовой шум — это зависящие от времени колебания электрического тока, вызванные дискретностью заряда электрона.
В). Почему дробовой шум называют белым шумом?
А). Этот шум часто называют белым шумом, потому что он имеет постоянную спектральную плотность. Основными примерами белого шума являются дробовой шум и тепловой шум.
В). Что такое шумовой фактор в общении?
Это мера снижения отношения сигнал/шум внутри устройства. Таким образом, это отношение отношения сигнал/шум в i/p к отношению сигнал/шум на выходе.
В). Что такое дробовой шум в фотодетекторе?
А). Дробовой шум в фотодетекторе при обнаружении оптического гомодина объясняется либо нулевыми флуктуациями квантованного электромагнитного поля, либо раздельным характером процедуры поглощения фотонов.
В). Как измеряется дробовой шум?
А). Этот шум измеряется с помощью дробового шума = 10 log(2hν/P) в дБн/Гц). «c» в дБн относится к сигналу, поэтому мы умножаем мощность сигнала «P», чтобы получить мощность дробового шума в пределах дБм/Гц.
В). Как уменьшить дробовой шум?
Этот шум можно уменьшить,
- Увеличение мощности сигнала: Увеличение силы тока в системе уменьшит относительный вклад дробового шума.
- Усреднение сигнала: усреднение нескольких измерений одного и того же сигнала уменьшит дробовой шум, так как шум будет усредняться с течением времени.
- Реализация шумовых фильтров: фильтры, такие как фильтры нижних частот, можно использовать для удаления высокочастотных шумовых компонентов из сигнала.
- Снижение температуры: Повышение температуры системы увеличивает количество теплового шума, делая дробовой шум относительно менее значимым.
- Выбор правильного детектора: Использование детектора с большей активной площадью или с более высокой эффективностью сбора электронов может уменьшить влияние дробового шума.
Таким образом, это обзор дробового шума и его приложения. Обычно этот шум возникает при наличии перепада напряжения или потенциального барьера. Когда носители заряда, такие как дырки и электроны, пересекают барьер, возникает этот шум. Например, транзистор, диод и вакуумная лампа будут генерировать дробовой шум. Вот вопрос к вам, что такое шум?
