Shot Noise: Circuit, Working, Vs Johnson Noise and Impulse Noise och dess tillämpningar

Skottbruset utvecklades först av den tyske fysikern, nämligen 'Walter Schottky', som spelade en huvudroll i expansionen av elektron- och jonemissionsteorin. När han arbetade med termionventiler eller vakuumrör, observerade han att även när alla externa bullerkällor hade avlägsnats kvarstod två typer av ljud. En han fastställde var ett resultat av temperaturen som är känd som termiskt brus medan den återstående är skottljud. I elektriska kretsar , det finns olika typer av bruskällor som johnson/termiskt brus, skottljud, 1/f-brus eller rosa/flimmerbrus. Den här artikeln diskuterar en översikt av en skottljud – arbeta med applikationer.

Vad är Shot Noise?

En typ av elektroniskt brus som skapas från den diskreta naturen hos elektrisk laddning kallas skottbrus. I elektroniska kretsar har detta brus slumpmässiga fluktuationer i en likström eftersom ström faktiskt har ett flöde av elektroner. Detta brus märks främst i halvledarenheter som Schottky-barriärdioder, PN-övergångar och tunnelövergångar. Inte som termiskt brus, detta brus beror huvudsakligen på strömflödet och det är mer uppenbart i PN-tunnelövergångsenheter.

Skottljud är betydande med extremt små strömmar, främst vid mätning på korta tidsskalor. Detta brus är särskilt märkbart när strömnivåerna inte är höga. Så detta beror främst på det statistiska strömflödet.

Shot Noise Circuit

Den experimentella uppsättningen för skottbrus med en fotomonteringskrets visas nedan. Denna inställning inkluderar en glödlampa med variabel intensitet och fotodiod som är anslutna till en enkel krets. I följande krets används multimetern för att mäta spänningsförsörjningen över ett RF-motstånd som är seriekopplat med fotokretsen.

En omkopplare i kretsen väljer om fotoströmmen (eller) kalibreringssignalen kan ges till resten av kretsen. Op-ampen som sitter på höger sida är parallellkopplad med resistorn vilket gör att shot noise assembly boxen har en tiofaldig förstärkning.

Oscilloskopet används för att digitalt införliva den resulterande brussignalen. En funktionsgenerator används i serie med en dämpare för att justera förstärkningskurvan. Här började vi Shot-brusexperimentet med mycket noggrann kalibrering av mätkedjan genom en dämpad sinusformad signal med hjälp av en funktionsgenerator. Förstärkningen registreras (g(f) = Vout(f)/Vin(f)).

Under detta experiment registrerade vi helt enkelt RMS-spänningen för bruset som mäts av oscilloskopet 20 gånger för 8 olika spänningar inom ljusfotokretsen VF. Efter det bröt vi fotokretsen och registrerade brusnivån i bakgrunden.

I denna krets kan bruset som mäts ändras något beroende på integrationstiden som används av oscilloskopet, men detta varierar i storleksordningen 0,1 % osäkerhet och vi kan ignorera det, eftersom det domineras av osäkerheten som orsakas av slumpmässiga fluktuationer inom spänningen.

Shot Noise Current Formel

Skottljud uppstår när ström flyter genom en PN-korsning . Det finns olika korsningar på integrerade kretsar . Barriärövergången är helt enkelt slumpmässig och den producerade likströmmen är summan av olika slumpmässiga elementära strömsignaler. Detta brus är stabilt över alla frekvenser. Formeln för skottbrusström visas nedan.

In = √2qIΔf

Var,

'q' är laddningen på en elektron som motsvarar 1,6 × 10-19 coulombs.

'I' är strömflödet genom korsningen.

'Δf' är bandbredden i Hertz.

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

Skillnaden mellan skottljud, Johnson-brus och impulsbrus diskuteras nedan.

Fördelar och nackdelar

De fördelarna med skottljud inkluderar följande.

• Skottbruset vid höga frekvenser är det begränsande bruset för markbundna detektorer.
• Detta brus ger helt enkelt värdefull information om grundläggande fysiska processer utöver andra experimentella metoder.
• Eftersom signalstyrkan ökar snabbare, minskar den relativa andelen skottbrus och S/N-förhållandet ökar.

De nackdelar med skottljud inkluderar följande.

• Detta brus orsakas helt enkelt av fluktuationerna inom antalet detekterade fotoner vid fotodioden.
• Den behöver en modifiering av data efter mätning för att kompensera för signalförlusten på grund av lågpassfiltret (LPF) som bildas genom tunnelövergången.
• Detta är brus med kvantbegränsad intensitet. Olika lasrar är mycket nära skottbrus, som ett minimum för höga frekvenser.

Ansökningar

De tillämpningar av skottljud inkluderar följande.

• Detta brus är främst synligt i halvledarenheter som PN-övergångar, tunnelövergångar och Schottky-barriärdioder.
• Det är viktigt inom grundläggande fysik, optisk detektion, elektronik, telekommunikation, etc.
• Denna typ av brus påträffas i elektroniska och RF-kretsar som en effekt av den granulära strömnaturen.
• Detta brus är mycket betydelsefullt i ett system med mycket låg effekt.
• Detta brus är korrelerat till den kvantiserade laddningsnaturen och den individuella bärarinjektionen genom pn-övergången.
• Detta brus skiljer sig helt enkelt från fluktuationer av ström i jämvikt som uppstår utan någon spänning pålagd och utan något normalt strömflöde.
• Skottbrus är de tidsberoende fluktuationerna inom elektrisk ström som orsakas av elektronladdningens diskrethet.

Q). Varför Shot Noise kallas vitt brus?

A). Detta brus är ofta känt som vitt brus eftersom det har en konsekvent spektral densitet. De främsta exemplen på vitt brus är Shot noise & Thermal noise.

Q). Vad är brusfaktorn i kommunikation?

Det är måttet på S/N-förhållandets försämring inom en enhet. Så det är förhållandet mellan S/N-förhållandet vid i/p och S/N-förhållandet vid utgången.

Q). Vad är Shot Noise i fotodetektor?

A). Skottbruset inuti fotodetektorn vid detekteringen av optisk homodyn tillskrivs antingen nollpunktsfluktuationerna hos det kvantiserade elektromagnetiska fältet, annars till den separata naturen hos fotonabsorptionsproceduren.

Q). Hur mäts skottljud?

A). Detta brus mäts genom att använda detta som skottbrus = 10 log(2hν/P) i dBc/Hz). 'c' inom dBc är relativt signalen, så vi multiplicerar med signaleffekten 'P' för att få skottbruseffekten inom dBm/Hz.

Q). Hur minskar du Shot Noise?

Detta buller kan reduceras med

1. Öka signalstyrkan: Öka mängden ström i systemet kommer att minska det relativa bidraget från skottbrus.
2. Medelvärdesberäkning av signalen: Genom ett medelvärde av flera mätningar av samma signal reduceras skottbruset, eftersom bruset kommer att beräknas i medeltal över tiden.
3. Implementering av brusfilter: Filter som lågpassfilter kan användas för att ta bort högfrekventa bruskomponenter från signalen.
4. Minska temperaturen: Ökning av systemets temperatur kommer att öka mängden termiskt brus, vilket gör skottljudet relativt mindre signifikant.
5. Att välja rätt detektor: Att använda en detektor med en större aktiv yta eller en högre elektroninsamlingseffektivitet kan minska påverkan av skottljud.

Detta är alltså en översikt över skottljud och dess tillämpningar. Vanligtvis uppstår detta brus när det finns en spänningsskillnad eller potentialbarriär. När väl laddningsbärare som hål och elektroner passerar barriären kan detta brus genereras. Till exempel kommer en transistor, en diod och ett vakuumrör alla att generera skottljud. Här är en fråga till dig, vad är buller?