ショットノイズ：回路、動作、対ジョンソンノイズとインパルスノイズとその応用

ショット ノイズは、電子とイオンの放出理論の拡張に中心的な役割を果たしたドイツの物理学者「ウォルター ショットキー」によって最初に開発されました。彼は、熱電子バルブや真空管の作業中に、すべての外部ノイズ源が取り除かれても、2 種類のノイズが残っていることに気付きました。彼が決定した 1 つは、熱雑音として知られる温度の結果であり、残りの 1 つはショット ノイズです。の 電気回路 ジョンソン/サーマル ノイズ、ショット ノイズ、1/f ノイズ、ピンク/フリッカー ノイズなど、さまざまな種類のノイズ ソースがあります。この記事では、 ショットノイズ – アプリケーションの操作。

ショットノイズとは？

電荷の離散的な性質から生じる一種の電子ノイズは、ショット ノイズとして知られています。電子回路では、実際の電流には電子の流れがあるため、このノイズは DC 電流にランダムな変動をもたらします。このノイズは主に 半導体デバイス ショットキーバリアダイオード、PN接合、トンネル接合など。熱ノイズとは異なり、このノイズは主に電流の流れに依存し、PN トンネル接合デバイスでより顕著になります。

ショット ノイズは、主に短い時間スケールで測定する場合に、非常に小さな電流で大きくなります。このノイズは、電流レベルが高くない場合に特に目立ちます。したがって、これは主に統計的な電流の流れによるものです。

ショットノイズ回路

写真アセンブリ回路を使用したショット ノイズの実験セットアップを以下に示します。このセットアップには、可変強度の電球と フォトダイオード 簡単な回路に接続されています。次の回路では、マルチメータを使用して、フォト回路と直列に接続された RF 抵抗の電圧供給を測定しています。

回路内のスイッチは、光電流 (または) キャリブレーション信号を回路の残りの部分に与えることができるかどうかを選択します。右側にあるオペアンプは抵抗と並列に接続されているため、ショット ノイズ アセンブリ ボックスのゲインは約 10 倍になります。

オシロスコープは、結果のノイズ信号をデジタル的に組み込むために使用されます。関数発生器を減衰器と直列に使用して、ゲイン曲線を調整します。ここでは、関数発生器を使用して減衰した正弦波信号を介して測定チェーンを非常に慎重に校正するショット ノイズ実験を開始しました。ゲインが記録されます (g(f) = Vout(f)/Vin(f))。

この実験では、光フォト回路 VF 内の 8 つの異なる電圧に対してオシロスコープで 20 回測定したノイズの RMS 電圧を簡単に記録しました。その後、写真回路を壊し、背景のノイズのレベルを記録しました。

この回路では、測定されるノイズは、オシロスコープで使用される積分時間に応じてわずかに変化する可能性があります。電圧内のランダムな変動。

ショットノイズ電流式

ショット ノイズは、A に電流が流れるときに発生します。 PN接合 .さまざまなジャンクションが存在する 集積回路 .障壁の交差は単純にランダムであり、生成される DC 電流はさまざまなランダムな基本電流信号の合計です。このノイズはすべての周波数で安定しています。ショットノイズ電流の式を以下に示します。

で = √2qIΔf

どこ、

「q」は電子の電荷で、1.6 × 10-19 クーロンに相当します。

「I」は接合部全体の電流の流れです。

「Δf」はヘルツ単位の帯域幅です。

差分白黒ショット ノイズ、ジョンソン ノイズ、インパルス ノイズ

ショット ノイズ、ジョンソン ノイズ、およびインパルス ノイズの違いについては、以下で説明します。

長所と短所

の ショットノイズのメリット 以下のものが含まれます。

• 高周波数でのショット ノイズは、地上検出器の制限ノイズです。
• このノイズは、他の実験方法を超えた基本的な物理プロセスに関する貴重な情報を提供するだけです。
• 信号強度がより速く増加するため、ショット ノイズの相対的な割合が減少し、S/N 比が増加します。

の ショットノイズのデメリット 以下のものが含まれます。

• このノイズは、フォトダイオードで検出される光子数の変動によって単純に発生します。
• トンネル接合を介して形成されるローパス フィルター (LPF) による信号の損失を補償するために、測定後にデータを変更する必要があります。
• これは、量子制限強度ノイズです。高ノイズ周波数の最小値として、さまざまなレーザーがショット ノイズに非常に近くなっています。

アプリケーション

の ショットノイズの応用 以下のものが含まれます。

• このノイズは、主に PN 接合、トンネル接合、ショットキー バリア ダイオードなどの半導体デバイスで見られます。
• 基礎物理学、光検出、エレクトロニクス、電気通信などで重要です。
• このタイプのノイズは、粒状電流の性質の影響として、電子および RF 回路で発生します。
• このノイズは、非常に低電力のシステムでは非常に重要です。
• このノイズは、量子化された電荷の性質と pn 接合全体の個々のキャリア注入に相関しています。
• このノイズは、電圧が印加されておらず、通常の電流が流れていない状態で発生する平衡状態の電流の変動とは単純に区別されます。
• ショット ノイズは、電子電荷の離散性によって引き起こされる電流内の時間依存の変動です。

Q)。ショット ノイズがホワイト ノイズと呼ばれる理由

A)。このノイズは、一貫したスペクトル密度を持つため、ホワイト ノイズとしてよく知られています。ホワイト ノイズの主な例は、ショット ノイズと熱ノイズです。

Q)。通信における雑音指数とは?

これは、デバイス内の S/N 比の低下の尺度です。つまり、i/p での S/N 比と出力での S/N 比の比率です。

Q)。光検出器のショットノイズとは?

A)。光ホモダインの検出における光検出器内のショット ノイズは、量子化された電磁界のゼロ点変動に起因するか、そうでなければ光子吸収手順の別の性質に起因します。

Q)。ショットノイズはどのように測定されますか?

A)。このノイズは、ショット ノイズ = 10 log(2hν/P) (dBc/Hz) のようにこれを使用して測定されます。 dBc 内の「c」は信号に関連しているため、信号電力「P」を乗算して、dBm/Hz 内のショット ノイズ電力を取得します。

Q)。ショットノイズの低減方法を教えてください。

このノイズは次の方法で低減できます。

1. 信号強度の増加: システム内の電流量を増やすと、ショット ノイズの影響が相対的に減少します。
2. 信号の平均化: 同じ信号の複数の測定値を平均化すると、ノイズが時間の経過とともに平均化されるため、ショット ノイズが減少します。
3. ノイズ フィルターの実装: ローパス フィルターなどのフィルターを使用して、信号から高周波ノイズ成分を除去できます。
4. 温度を下げる: システムの温度を上げると、熱雑音の量が増加し、ショット ノイズが比較的少なくなります。
5. 適切なディテクタの選択: アクティブ エリアが大きく、電子収集効率が高いディテクタを使用すると、ショット ノイズの影響を軽減できます。

したがって、これは ショットノイズの概要 およびそのアプリケーション。通常、このノイズは電圧差または電位障壁がある場合に発生します。正孔や電子などの電荷キャリアがバリアを通過すると、このノイズが発生する可能性があります。例えば、トランジスタ、ダイオード、真空管はショットノイズを発生します。ここであなたに質問です、ノイズとは何ですか?