Il rumore dello sparo è stato sviluppato per la prima volta dal fisico tedesco 'Walter Schottky' che ha svolto un ruolo principale nell'espansione della teoria dell'emissione di elettroni e ioni. Mentre lavorava su valvole termoioniche o valvole termoioniche, osservò che anche quando tutte le fonti di rumore esterno erano state rimosse, rimanevano due tipi di rumore. Uno che ha determinato era un risultato della temperatura che è noto come rumore termico, mentre il restante è rumore di sparo. In circuiti elettrici , ci sono diversi tipi di sorgenti di rumore come johnson/rumore termico, rumore di sparo, rumore 1/f o rumore rosa/sfarfallio. Questo articolo discute una panoramica di a rumore di sparo – lavorare con le applicazioni.
Cos'è il rumore dei colpi?
Un tipo di rumore elettronico creato dalla natura discreta della carica elettrica è noto come rumore da sparo. Nei circuiti elettronici, questo rumore ha fluttuazioni casuali in una corrente continua perché in realtà la corrente ha un flusso di elettroni. Questo rumore è evidente principalmente in dispositivi a semiconduttore come diodi a barriera Schottky, giunzioni PN e giunzioni tunnel. A differenza del rumore termico, questo rumore dipende principalmente dal flusso di corrente ed è più evidente nei dispositivi di giunzione tunneling PN.
Il rumore di sparo è significativo con correnti estremamente piccole, soprattutto quando si misura su scale temporali brevi. Questo rumore è particolarmente evidente quando i livelli di corrente non sono elevati. Quindi questo è principalmente dovuto al flusso di corrente statistico.
Circuito del rumore di sparo
Di seguito è mostrata la configurazione sperimentale del rumore di tiro con un circuito di assemblaggio di foto. Questa configurazione include una lampadina a intensità variabile e fotodiodo collegati a un circuito semplice. Nel seguente circuito, il multimetro viene utilizzato per misurare la tensione di alimentazione attraverso un resistore RF collegato in serie con il fotocircuito.
Un interruttore nel circuito sceglie se la fotocorrente (o) il segnale di calibrazione può essere fornito al resto del circuito. L'amplificatore operazionale che si trova sul lato destro è collegato in parallelo con il resistore, facendo sì che la scatola di assemblaggio del rumore di tiro abbia un guadagno di circa dieci volte.
L'oscilloscopio viene utilizzato per incorporare digitalmente il segnale di rumore risultante. Un generatore di funzioni viene utilizzato in serie con un attenuatore per regolare la curva di guadagno. Qui, abbiamo iniziato l'esperimento Shot noise con una calibrazione molto attenta della catena di misura attraverso un segnale sinusoidale attenuato utilizzando un generatore di funzioni. Il guadagno viene registrato (g(f) = Vout(f)/Vin(f)).
Durante questo esperimento, abbiamo semplicemente registrato la tensione RMS del rumore che viene misurata dall'oscilloscopio 20 volte per 8 diverse tensioni all'interno del fotocircuito luminoso VF. Successivamente, abbiamo interrotto il circuito fotografico e registrato il livello di rumore sullo sfondo.
In questo circuito, il rumore misurato può essere leggermente modificato a seconda del tempo di integrazione utilizzato dall'oscilloscopio, tuttavia, questo è compreso nell'ordine dello 0,1% di incertezza e possiamo ignorarlo, poiché è dominato dall'incertezza causata da fluttuazioni casuali all'interno della tensione.
Formula della corrente del rumore di sparo
Il rumore di sparo si verifica quando la corrente scorre attraverso a giunzione PN . Ci sono vari incroci presenti su circuiti integrati . L'attraversamento della barriera è semplicemente casuale e la corrente CC prodotta è la somma di vari segnali di corrente elementari casuali. Questo rumore è stabile sopra tutte le frequenze. La formula della corrente del rumore di tiro è mostrata di seguito.
In = √2qIΔf
Dove,
'q' è la carica su un elettrone che è equivalente a 1,6 × 10-19 coulomb.
'I' è il flusso di corrente attraverso la giunzione.
'Δf' è la larghezza di banda in Hertz.
Differenza rumore di ripresa B/N, rumore Johnson e rumore impulsivo
La differenza tra rumore di sparo, rumore di Johnson e rumore di impulso è discussa di seguito.
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Rumore di sparo |
Rumore Johnson |
Rumore impulsivo |
| Il rumore che si genera a causa della natura discreta delle cariche trasportate attraverso elettroni/lacune è noto come rumore di tiro. | Il rumore generato dall'agitazione termica dei portatori di carica è noto come rumore di Johnson. | Il rumore che contiene un suono rapido e acuto o un colpo rapido della durata di uno sparo come uno sparo è noto come rumore impulsivo. |
| Questo rumore è anche noto come rumore quantico. | Il rumore di Johnson è anche chiamato rumore di Nyquist/rumore termico. | Il rumore impulsivo è anche noto come rumore di scoppio. |
| Questo rumore è indipendente dalla frequenza e dalla temperatura. | Questo rumore è proporzionale alla temperatura. | Questo non dipende dalla temperatura. |
| Questo rumore si verifica principalmente nel conteggio dei fotoni all'interno di dispositivi ottici, ovunque questo rumore sia associato alla natura particellare del raggio. | Il rumore termico si verifica principalmente dal movimento casuale degli elettroni liberi all'interno di un conduttore che risulta dall'agitazione termica. | Il rumore impulsivo si verifica principalmente a causa di temporali e transitori di tensione attraverso sistemi di commutazione elettromeccanici. |
Vantaggi e svantaggi
IL vantaggi del rumore da sparo include il seguente.
- Lo shot noise alle alte frequenze è il rumore limitante per i rivelatori terrestri.
- Questo rumore fornisce semplicemente informazioni preziose sui processi fisici di base al di là di altri metodi sperimentali.
- Poiché l'intensità del segnale aumenta più rapidamente, la proporzione relativa del rumore di ripresa si riduce e il rapporto S/N aumenta.
IL svantaggi del rumore di sparo include il seguente.
- Questo rumore è semplicemente causato dalle fluttuazioni all'interno del numero di fotoni rilevati al fotodiodo.
- Richiede una modifica dei dati post-misurazione per compensare la perdita di segnale a causa del filtro passa-basso (LPF) formato attraverso la giunzione del tunnel.
- Questo è un rumore di intensità quantistica limitata. Vari laser sono molto vicini al rumore dello sparo, come minimo per le frequenze ad alto rumore.
Applicazioni
IL applicazioni del rumore da sparo include il seguente.
- Questo rumore è visibile principalmente nei dispositivi a semiconduttore come giunzioni PN, giunzioni tunnel e diodi a barriera Schottky.
- È significativo in fisica fondamentale, rilevamento ottico, elettronica, telecomunicazioni, ecc.
- Questo tipo di rumore si riscontra nei circuiti elettronici e RF come effetto della natura della corrente granulare.
- Questo rumore è molto significativo in un sistema a bassissima potenza.
- Questo rumore è correlato alla natura della carica quantizzata e all'iniezione di portante individuale attraverso la giunzione pn.
- Questo rumore si distingue semplicemente dalle fluttuazioni di corrente in equilibrio che si verificano senza alcuna tensione applicata e senza alcun normale flusso di corrente.
- Il rumore di sparo è le fluttuazioni dipendenti dal tempo all'interno della corrente elettrica che sono causate dalla discretezza della carica dell'elettrone.
Q). Perché il rumore dei colpi è chiamato rumore bianco?
UN). Questo rumore è spesso noto come rumore bianco perché ha una densità spettrale costante. I principali esempi di rumore bianco sono il rumore dello sparo e il rumore termico.
Q). Qual è il fattore di rumore nella comunicazione?
È la misura della degradazione del rapporto S/N all'interno di un dispositivo. Quindi, è il rapporto tra il rapporto S/N all'i/p e il rapporto S/N all'uscita.
Q). Che cos'è il rumore di sparo nel fotorilevatore?
UN). Il rumore dello sparo all'interno del fotorivelatore nel rilevamento dell'omodino ottico è attribuito alle fluttuazioni del punto zero del campo elettromagnetico quantizzato, oppure alla natura separata della procedura di assorbimento dei fotoni.
Q). Come viene misurato il rumore dei colpi?
UN). Questo rumore viene misurato usando questo come rumore di sparo = 10 log(2hν/P) in dBc/Hz). La 'c' all'interno di dBc è relativa al segnale, quindi moltiplichiamo per la potenza del segnale 'P' per ottenere la potenza del rumore di tiro entro dBm/Hz.
Q). Come si riduce il rumore dei colpi?
Questo rumore può essere ridotto da
- Aumentare la potenza del segnale: Aumentando la quantità di corrente nel sistema si ridurrà il contributo relativo del rumore di tiro.
- Calcolo della media del segnale: il calcolo della media di più misurazioni dello stesso segnale ridurrà il rumore dello scatto, poiché il rumore verrà calcolato in media nel tempo.
- Implementazione di filtri antirumore: filtri come i filtri passa-basso possono essere utilizzati per rimuovere componenti di rumore ad alta frequenza dal segnale.
- Riduzione della temperatura: l'aumento della temperatura del sistema aumenterà la quantità di rumore termico, rendendo il rumore dello sparo relativamente meno significativo.
- Scelta del rivelatore giusto: l'utilizzo di un rivelatore con un'area attiva più ampia o una maggiore efficienza di raccolta degli elettroni può ridurre l'impatto del rumore di tiro.
Così, questo è una panoramica del rumore dei colpi e le sue applicazioni. Di solito, questo rumore si verifica ogni volta che c'è un differenziale di tensione o una potenziale barriera. Una volta che i portatori di carica come i buchi e gli elettroni attraversano la barriera, può essere generato questo rumore. Ad esempio, un transistor, un diodo e un tubo a vuoto genereranno tutti rumore di sparo. Ecco una domanda per te, cos'è il rumore?
