רעש ירי: מעגל, עבודה, לעומת רעש ג'ונסון ורעש אימפולס ויישומיו

רעש הזריקה פותח לראשונה על ידי הפיזיקאי הגרמני, כלומר 'וולטר שוטקי' שמילא תפקיד מרכזי בהרחבת תיאוריית פליטת האלקטרונים והיונים. תוך כדי עבודה על שסתומים תרמיונים או צינורות ואקום, הוא הבחין שגם כאשר כל מקורות הרעש החיצוניים הוסרו נותרו שני סוגי רעש. אחד שהוא קבע היה תוצאה של הטמפרטורה המכונה רעש תרמי בעוד שהנותרת היא רעש ירייה. ב מעגלים חשמליים , ישנם סוגים שונים של מקורות רעש כמו ג'ונסון/רעש תרמי, רעש ירי, רעש 1/f או רעש ורוד/הבהוב. מאמר זה דן בסקירה כללית של א רעש ירייה - עבודה עם אפליקציות.

מהו Shot Noise?

סוג של רעש אלקטרוני שנוצר מהטבע הדיסקרטי של המטען החשמלי ידוע בשם רעש ירייה. במעגלים אלקטרוניים, לרעש הזה יש תנודות אקראיות בזרם DC מכיוון שלמעשה לזרם יש זרימה של אלקטרונים. הרעש הזה מורגש בעיקר ב התקני מוליכים למחצה כמו דיודות מחסום שוטקי, צומת PN וצמתי מנהרות. לא כמו רעש תרמי, רעש זה תלוי בעיקר בזרימת הזרם והוא בולט יותר במכשירי צומת מנהור PN.

רעש ירייה משמעותי עם זרמים קטנים במיוחד, בעיקר כאשר מודדים בסקאלות זמן קצרות. רעש זה בולט במיוחד בכל פעם שרמות הזרם אינן גבוהות. אז זה נובע בעיקר מזרימת הזרם הסטטיסטית.

מעגל רעש ירי

מערך הניסוי של רעש צילום עם מעגל הרכבת צילום מוצג להלן. הגדרה זו כוללת נורה בעוצמה משתנה פוטודיודה אשר מחוברים למעגל פשוט. במעגל הבא, המולטימטר משמש למדידת אספקת המתח על פני נגד RF המחובר בסדרה עם מעגל הצילום.

מתג במעגל בוחר האם ניתן לתת את הפוטו-זרם (או) את אות הכיול לשאר המעגל. מגבר ההפעלה שנמצא בצד ימין מחובר במקביל לנגד, מה שגורם לקופסת הרכבת רעש הזריקה לקבל רווח של פי עשרה בערך.

האוסילוסקופ משמש לשילוב דיגיטלי של אות הרעש שנוצר. מחולל פונקציות משמש בסדרה עם מנחת כדי לכוונן את עקומת ההגברה. כאן, התחלנו את ניסוי רעש Shot בכיול זהיר מאוד של שרשרת המדידה באמצעות אות סינוסואידי מוחלש באמצעות מחולל פונקציות. הרווח נרשם (g(f) = Vout(f)/Vin(f)).

במהלך הניסוי הזה, פשוט הקלטנו את מתח ה-RMS של הרעש שנמדד על ידי האוסילוסקופ 20 פעמים עבור 8 מתחים שונים בתוך מעגל צילום האור VF. לאחר מכן, שברנו את מעגל הצילום ותעדנו את רמת הרעש ברקע.

במעגל זה, הרעש הנמדד יכול להשתנות מעט בהתאם לזמן האינטגרציה שנוצל על ידי האוסילוסקופ, עם זאת, זה נע בסדר גודל של 0.1% אי ודאות ונוכל להתעלם ממנו, מכיוון שהוא נשלט על ידי אי הוודאות הנגרמת על ידי תנודות אקראיות בתוך מתח.

נוסחת שוט רעש

רעש ירי מתרחש כאשר זרם זורם לאורך a צומת PN . ישנם צמתים שונים מעגלים משולבים . חציית המחסום היא פשוט אקראית וזרם ה-DC המופק הוא הסכום של אותות זרם אלמנטרי אקראיים שונים. הרעש הזה יציב מעל כל התדרים. נוסחת זרם רעש הירי מוצגת להלן.

In = √2qIΔf

איפה,

'q' הוא המטען על אלקטרון ששווה ערך ל-1.6 × 10-19 קולומב.

'אני' הוא זרימת הזרם לאורך הצומת.

'Δf' הוא רוחב הפס בהרץ.

הבדל רעש ירי שחור/לב, רעש ג'ונסון ורעש אימפולס

ההבדל בין רעש ירייה, רעש ג'ונסון ורעש דחף נדון להלן.

יתרונות וחסרונות

ה היתרונות של רעש ירייה כלול את הבאים.

• רעש הירי בתדרים גבוהים הוא הרעש המגביל עבור גלאים יבשתיים.
• הרעש הזה פשוט מספק מידע רב ערך על תהליכים פיזיקליים בסיסיים מעבר לשיטות ניסוי אחרות.
• מכיוון שעוצמת האות משתפרת מהר יותר, אז היחס היחסי של רעשי הצילום מצטמצם ויחס ה-S/N גדל.

ה חסרונות של רעש ירייה כלול את הבאים.

• הרעש הזה פשוט נגרם על ידי התנודות בתוך מספר הפוטונים שזוהו בפוטודיודה.
• הוא זקוק לשינוי נתונים לאחר המדידה כדי לפצות על אובדן האות בגלל מסנן המעבר הנמוך (LPF) שנוצר דרך צומת המנהרה.
• זהו רעש בעוצמה מוגבלת קוונטית. לייזרים שונים קרובים מאוד לרעש זריקה, כמינימום עבור תדרי רעש גבוהים.

יישומים

ה יישומים של רעש ירייה כלול את הבאים.

• רעש זה נראה בעיקר בהתקני מוליכים למחצה כמו צמתי PN, צמתי מנהרות ודיודות מחסום Schottky.
• זה משמעותי בפיזיקה בסיסית, זיהוי אופטי, אלקטרוניקה, טלקומוניקציה וכו'.
• סוג זה של רעש נתקל במעגלים אלקטרוניים ו-RF כאפקט של אופי הזרם הגרעיני.
• הרעש הזה הוא מאוד משמעותי במערכת עם הספק נמוך מאוד.
• רעש זה נמצא בקורלציה לאופי המטען המקוונטי ולהזרקת הנשא הבודד לאורך צומת pn.
• רעש זה פשוט מובחן מתנודות של זרם בשיווי משקל המתרחשות ללא כל מתח מופעל וללא כל זרימה רגילה של זרם.
• רעש זריקה הוא התנודות תלויות הזמן בתוך הזרם החשמלי הנגרמות על ידי דיסקרטיות של מטען האלקטרונים.

ש). מדוע רעש ירי נקרא רעש לבן?

א). רעש זה ידוע לרוב בשם רעש לבן מכיוון שיש לו צפיפות ספקטרלית עקבית. הדוגמאות העיקריות לרעש לבן הן רעש צילום ורעש תרמי.

ש). מהו גורם הרעש בתקשורת?

זהו המדד לפירוק יחס S/N בתוך מכשיר. אז זה היחס בין יחס S/N ב-i/p ליחס S/N במוצא.

ש). מהו Shot Noise ב- Photodetector?

א). רעש הזריקה בתוך הפוטו-גלאי בזיהוי הומודיין אופטי מיוחס לתנודות נקודת האפס של השדה האלקטרומגנטי המקוונטי, אחרת לאופי הנפרד של הליך קליטת הפוטונים.

ש). כיצד נמדד רעש ירי?

א). רעש זה נמדד באמצעות שימוש זה כמו רעש צילום = 10 לוג(2hν/P) ב-dBc/Hz). ה-'c' בתוך dBc הוא יחסי לאות, ולכן אנו מכפילים באמצעות הספק האות 'P' כדי לקבל את הספק רעש הצילום בתוך dBm/Hz.

ש). איך מפחיתים את ה- Shot Noise?

ניתן להפחית את הרעש הזה על ידי

1. הגדלת עוצמת האות: הגדלת כמות הזרם במערכת תפחית את התרומה היחסית של רעש הירי.
2. ממוצע של האות: ממוצע של מדידות מרובות של אותו אות יקטין את רעש הצילום, מכיוון שהרעש יעבור ממוצע לאורך זמן.
3. הטמעת מסנני רעש: ניתן להשתמש במסננים כגון מסננים במעבר נמוך כדי להסיר רכיבי רעש בתדר גבוה מהאות.
4. הפחתת טמפרטורה: הגדלת הטמפרטורה של המערכת תגביר את כמות הרעש התרמי, מה שהופך את רעשי הצילום לפחות משמעותיים יחסית.
5. בחירת הגלאי הנכון: שימוש בגלאי עם שטח פעיל גדול יותר או יעילות גבוהה יותר של איסוף אלקטרונים יכול להפחית את ההשפעה של רעשי ירי.

לפיכך, זהו סקירה כללית של רעש ירייה והיישומים שלה. בדרך כלל, רעש זה קורה בכל פעם שיש הפרש מתח או מחסום פוטנציאלי. ברגע שנשאי המטען כמו חורים ואלקטרונים חוצים את המחסום, אזי הרעש הזה יכול להיווצר. לדוגמה, טרנזיסטור, דיודה וצינור ואקום כולם ייצרו רעש ירייה. הנה שאלה בשבילך, מה זה רעש?