Shot Noise: Circuit, Working, Vs Johnson Noise และ Impulse Noise & การใช้งาน

เสียงปืนถูกพัฒนาขึ้นเป็นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ “วอลเตอร์ ชอตต์กี้” ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการขยายทฤษฎีการปล่อยอิเล็กตรอนและไอออน ในขณะที่ทำงานกับวาล์วเทอร์ไมโอนิกหรือท่อสุญญากาศ เขาสังเกตเห็นว่าแม้เมื่อนำแหล่งกำเนิดเสียงภายนอกทั้งหมดออกไปแล้ว เสียงสองประเภทยังคงอยู่ สิ่งหนึ่งที่เขาพิจารณาคือผลลัพธ์ของอุณหภูมิซึ่งเรียกว่าสัญญาณรบกวนจากความร้อน ในขณะที่เสียงที่เหลือคือสัญญาณรบกวน ใน วงจรไฟฟ้า มีแหล่งกำเนิดเสียงหลายประเภท เช่น johnson/thermal noise, shot noise, 1/f noise หรือ Pink/ Flicker noise บทความนี้กล่าวถึงภาพรวมของก เสียงยิง - การทำงานกับแอพพลิเคชั่น

Shot Noise คืออะไร?

ประเภทของสัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างขึ้นจากลักษณะที่ไม่ต่อเนื่องของประจุไฟฟ้าเรียกว่า เสียงช็อต ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เสียงนี้มีความผันผวนแบบสุ่มในกระแสไฟตรง เนื่องจากกระแสจริงมีการไหลของอิเล็กตรอน สัญญาณรบกวนนี้จะสังเกตเห็นได้ส่วนใหญ่ใน อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ เช่นไดโอดกั้น Schottky ทางแยก PN และทางแยกอุโมงค์ ไม่เหมือนเสียงความร้อน เสียงนี้ขึ้นอยู่กับการไหลของกระแสเป็นหลัก และเห็นได้ชัดเจนกว่าในอุปกรณ์ชุมทางอุโมงค์ PN

สัญญาณรบกวนจากการยิงมีนัยสำคัญกับกระแสที่มีขนาดเล็กมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อทำการวัดในช่วงเวลาสั้นๆ สัญญาณรบกวนนี้จะสังเกตเห็นได้ชัดเจนเมื่อระดับปัจจุบันไม่สูง นี่เป็นสาเหตุหลักมาจากการไหลของกระแสทางสถิติ

วงจรเสียงรบกวนช็อต

การตั้งค่าทดลองช็อตนอยซ์กับวงจรประกอบภาพแสดงอยู่ด้านล่าง การตั้งค่านี้ประกอบด้วยหลอดไฟแบบปรับความเข้มได้ & โฟโตไดโอด ซึ่งต่อเป็นวงจรง่ายๆ ในวงจรต่อไปนี้ มัลติมิเตอร์ใช้เพื่อวัดการจ่ายแรงดันทั่วตัวต้านทาน RF ซึ่งต่ออนุกรมกับวงจรโฟโต้

สวิตช์ในวงจรจะเลือกว่าจะให้โฟโตเคอร์เรนต์ (หรือ) สัญญาณการสอบเทียบกับส่วนที่เหลือของวงจรหรือไม่ op-amp ซึ่งอยู่ทางด้านขวาเชื่อมต่อขนานกับตัวต้านทานทำให้กล่องประกอบ shot noise ได้รับประมาณสิบเท่า

ออสซิลโลสโคปใช้เพื่อรวมสัญญาณรบกวนที่เป็นผลลัพธ์แบบดิจิทัล ตัวสร้างฟังก์ชันใช้ในอนุกรมกับตัวลดทอนเพื่อปรับเส้นโค้งอัตราขยาย ที่นี่ เราเริ่มการทดสอบ Shot noise ด้วยการสอบเทียบอย่างระมัดระวังของห่วงโซ่การวัดผ่านสัญญาณไซน์ซอยด์ที่ลดทอนโดยใช้ตัวสร้างฟังก์ชัน อัตราขยายจะถูกบันทึกไว้ (g(f) = Vout(f)/Vin(f))

ในระหว่างการทดลองนี้ เราเพียงแค่บันทึกแรงดัน RMS ของสัญญาณรบกวนซึ่งวัดโดยออสซิลโลสโคป 20 ครั้งสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน 8 แรงดันภายในวงจรโฟโต้แสง VF หลังจากนั้น เราทำลายวงจรภาพถ่ายและบันทึกระดับของสัญญาณรบกวนในพื้นหลัง

ในวงจรนี้ สัญญาณรบกวนที่วัดได้อาจเปลี่ยนแปลงได้เล็กน้อยขึ้นอยู่กับเวลารวมที่ออสซิลโลสโคปใช้ อย่างไรก็ตาม สัญญาณรบกวนนี้จัดอยู่ในลำดับความไม่แน่นอน 0.1% และเราสามารถเพิกเฉยได้ เนื่องจากสัญญาณรบกวนดังกล่าวถูกครอบงำโดยความไม่แน่นอนที่เกิดจาก ความผันผวนแบบสุ่มภายในแรงดันไฟฟ้า

Shot Noise สูตรปัจจุบัน

เสียงช็อตเกิดขึ้นเมื่อกระแสไหลตลอด ทางแยก PN . มีทางแยกต่างๆ วงจรรวม . การข้ามสิ่งกีดขวางเป็นเพียงการสุ่ม & กระแส DC ที่ผลิตเป็นผลรวมของสัญญาณกระแสเบื้องต้นแบบสุ่มต่างๆ เสียงนี้มีความเสถียรเหนือความถี่ทั้งหมด สูตรปัจจุบันของ shot noise แสดงไว้ด้านล่าง

ใน = √2qIΔf

ที่ไหน,

‘q’ คือประจุของอิเล็กตรอนซึ่งเทียบเท่ากับ 1.6 × 10-19 คูลอมบ์

'I' คือการไหลของกระแสตลอดทางแยก

'Δf' คือแบนด์วิดท์ในหน่วยเฮิรตซ์

ความแตกต่างของ B/W Shot Noise, Johnson Noise & Impulse Noise

ความแตกต่างระหว่างเสียงช็อต เสียงจอห์นสัน และเสียงอิมพัลส์ดังจะกล่าวถึงด้านล่าง

ข้อดีและข้อเสีย

เดอะ ข้อดีของการยิงเสียง รวมสิ่งต่อไปนี้

• เสียงยิงที่ความถี่สูงเป็นเสียงจำกัดสำหรับเครื่องตรวจจับภาคพื้นดิน
• เสียงนี้ให้ข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับกระบวนการทางกายภาพขั้นพื้นฐานนอกเหนือจากวิธีการทดลองอื่นๆ
• เนื่องจากความแรงของสัญญาณเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว สัดส่วนสัมพัทธ์ของสัญญาณรบกวนที่ถ่ายจึงลดลง & อัตราส่วน S/N จะเพิ่มขึ้น

เดอะ ข้อเสียของเสียงปืน รวมสิ่งต่อไปนี้

• สัญญาณรบกวนนี้เกิดจากความผันผวนภายในจำนวนโฟตอนที่ตรวจพบที่โฟโตไดโอด
• จำเป็นต้องมีการแก้ไขข้อมูลหลังการวัดเพื่อชดเชยการสูญเสียสัญญาณเนื่องจากตัวกรองความถี่ต่ำ (LPF) ที่เกิดขึ้นผ่านทางแยกอุโมงค์
• นี่คือสัญญาณรบกวนความเข้มจำกัดควอนตัม เลเซอร์ต่างๆ อยู่ใกล้กับเสียงรบกวนที่ยิงมาก เป็นขั้นต่ำสำหรับความถี่ที่มีสัญญาณรบกวนสูง

แอพพลิเคชั่น

เดอะ การประยุกต์ใช้เสียงยิง รวมสิ่งต่อไปนี้

• สัญญาณรบกวนนี้ส่วนใหญ่มองเห็นได้ในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เช่น จุดแยก PN จุดแยกอุโมงค์ และไดโอดกั้น Schottky
• มันมีความสำคัญในฟิสิกส์พื้นฐาน การตรวจจับด้วยแสง อิเล็กทรอนิกส์ โทรคมนาคม ฯลฯ
• สัญญาณรบกวนประเภทนี้พบได้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์และ RF อันเป็นผลมาจากธรรมชาติของกระแสแบบละเอียด
• เสียงนี้มีความหมายมากในระบบที่ใช้พลังงานต่ำมาก
• เสียงนี้มีความสัมพันธ์กับลักษณะประจุไฟฟ้าเชิงปริมาณและการฉีดสารพาหะแต่ละตัวตลอดทางแยก pn
• เสียงนี้แตกต่างจากความผันผวนของกระแสในสภาวะสมดุลซึ่งเกิดขึ้นโดยไม่มีแรงดันไฟฟ้าใด ๆ และไม่มีการไหลของกระแสปกติ
• เสียงช็อตคือความผันผวนตามเวลาภายในกระแสไฟฟ้าซึ่งเกิดจากความไม่ต่อเนื่องของประจุอิเล็กตรอน

ถาม). ทำไม Shot Noise ถึงเรียกว่า White Noise?

ก). เสียงนี้มักเรียกกันว่าเสียงสีขาวเนื่องจากมีความหนาแน่นของสเปกตรัมที่สม่ำเสมอ ตัวอย่างหลักของ White noise ได้แก่ Shot noise และ Thermal noise

ถาม). ปัจจัยเสียงรบกวนในการสื่อสารคืออะไร?

เป็นการวัดการลดอัตราส่วน S/N ภายในอุปกรณ์ ดังนั้นจึงเป็นอัตราส่วนของอัตราส่วน S/N ที่ i/p ต่ออัตราส่วน S/N ที่เอาต์พุต

ถาม). Shot Noise ใน Photodetector คืออะไร?

ก). สัญญาณรบกวนจากการยิงภายในตัวตรวจจับแสงในการตรวจจับโฮโมไดน์แบบออปติคอลมีสาเหตุมาจากความผันผวนของจุดศูนย์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงปริมาณ มิฉะนั้นจะเป็นลักษณะที่แยกจากกันของขั้นตอนการดูดกลืนโฟตอน

ถาม). Shot Noise วัดได้อย่างไร?

ก). เสียงรบกวนนี้วัดได้โดยใช้สิ่งนี้ เช่น เสียงช็อต = 10 log(2hν/P) ใน dBc/Hz) 'c' ภายใน dBc นั้นสัมพันธ์กับสัญญาณ ดังนั้นเราจึงคูณผ่านกำลังสัญญาณ 'P' เพื่อให้ได้พลังเสียงช็อตภายใน dBm/Hz

ถาม). คุณลด Shot Noise ได้อย่างไร?

เสียงรบกวนนี้สามารถลดลงได้โดย

1. การเพิ่มความแรงของสัญญาณ: การเพิ่มปริมาณกระแสในระบบจะลดผลกระทบของสัญญาณรบกวนที่สัมพันธ์กัน
2. การหาค่าเฉลี่ยของสัญญาณ: การวัดค่าเฉลี่ยของสัญญาณเดียวกันหลายๆ ครั้งจะลดสัญญาณรบกวนที่ยิงได้ เนื่องจากสัญญาณรบกวนจะถูกหาค่าเฉลี่ยเมื่อเวลาผ่านไป
3. การใช้ตัวกรองสัญญาณรบกวน: สามารถใช้ตัวกรองเช่นตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำเพื่อลบส่วนประกอบสัญญาณรบกวนความถี่สูงออกจากสัญญาณ
4. การลดอุณหภูมิ: การเพิ่มอุณหภูมิของระบบจะเพิ่มปริมาณของสัญญาณรบกวนจากความร้อน ทำให้สัญญาณรบกวนจากการยิงมีนัยสำคัญน้อยลง
5. การเลือกอุปกรณ์ตรวจจับที่เหมาะสม: การใช้อุปกรณ์ตรวจจับที่มีพื้นที่ใช้งานขนาดใหญ่ขึ้นหรือประสิทธิภาพการรวบรวมอิเล็กตรอนที่สูงขึ้นจะสามารถลดผลกระทบจากเสียงช็อตได้

ดังนั้นนี่คือ ภาพรวมของเสียงช็อต และการประยุกต์ใช้ โดยปกติแล้ว เสียงนี้จะเกิดขึ้นเมื่อใดก็ตามที่มีความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าหรือสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น เมื่อพาหะของประจุ เช่น โฮลและอิเล็กตรอนข้ามสิ่งกีดขวาง ก็จะสามารถสร้างสัญญาณรบกวนนี้ได้ ตัวอย่างเช่น ทรานซิสเตอร์ ไดโอด & หลอดสุญญากาศ ทั้งหมดจะสร้างเสียงช็อต นี่คือคำถามสำหรับคุณ อะไรคือเสียงรบกวน?