تم تطوير ضوضاء اللقطة لأول مرة من قبل الفيزيائي الألماني 'والتر شوتكي' الذي لعب دورًا رئيسيًا في توسيع نظرية انبعاث الإلكترون والأيونات. أثناء عمله على الصمامات الحرارية أو الأنابيب المفرغة ، لاحظ أنه حتى بعد إزالة جميع مصادر الضوضاء الخارجية ، بقي نوعان من الضوضاء. أحدهما كان ناتجًا عن درجة الحرارة المعروفة بالضوضاء الحرارية في حين أن الباقي هو ضوضاء إطلاق النار. في الدوائر الكهربائية ، هناك أنواع مختلفة من مصادر الضوضاء مثل ضوضاء جونسون / ضوضاء حرارية أو ضوضاء لقطة أو ضوضاء 1 / f أو ضوضاء وردي / وميض. تتناول هذه المقالة نظرة عامة على ملف الضوضاء النار - العمل مع التطبيقات.
ما هو الضجيج؟
يُعرف نوع الضوضاء الإلكترونية الناتج عن الطبيعة المنفصلة للشحنة الكهربائية باسم ضوضاء اللقطة. في الدوائر الإلكترونية ، يكون لهذه الضوضاء تقلبات عشوائية في تيار التيار المستمر لأن التيار يحتوي في الواقع على تدفق للإلكترونات. هذه الضوضاء ملحوظة بشكل رئيسي في أجهزة أشباه الموصلات مثل ثنائيات حاجز شوتكي وتقاطعات PN وتقاطعات الأنفاق. على عكس الضوضاء الحرارية ، تعتمد هذه الضوضاء بشكل أساسي على تدفق التيار وهي أكثر وضوحًا في أجهزة الوصلات النفقية PN.
تعتبر ضوضاء اللقطة مهمة مع التيارات الصغيرة للغاية بشكل أساسي عند القياس على نطاقات زمنية قصيرة. يمكن ملاحظة هذه الضوضاء بشكل خاص عندما لا تكون المستويات الحالية عالية. لذلك هذا يرجع أساسًا إلى التدفق الحالي الإحصائي.
دائرة ضوضاء الرصاص
يتم عرض الإعداد التجريبي لضوضاء اللقطة مع دائرة تجميع الصور أدناه. يتضمن هذا الإعداد لمبة إضاءة متغيرة الشدة و الثنائي الضوئي التي ترتبط بدائرة بسيطة. في الدائرة التالية ، يتم استخدام جهاز القياس المتعدد لقياس إمداد الجهد عبر المقاوم RF المتصل في سلسلة بدائرة الصورة.
يختار مفتاح في الدائرة ما إذا كان التيار الضوئي (أو) يمكن إعطاء إشارة المعايرة لبقية الدائرة. يتم توصيل جهاز op-amp الموجود على الجانب الأيمن بالتوازي مع المقاوم مما يتسبب في كسب صندوق تجميع ضوضاء الطلقة حوالي عشرة أضعاف.
يستخدم راسم الذبذبات لدمج إشارة الضوضاء الناتجة رقميًا. يتم استخدام مولد الوظيفة في سلسلة مع المخفف لضبط منحنى الكسب. هنا ، بدأنا تجربة ضوضاء اللقطة بمعايرة دقيقة للغاية لسلسلة القياس من خلال إشارة جيبية مخففة باستخدام مولد وظيفة. يتم تسجيل الكسب (g (f) = Vout (f) / Vin (f)).
خلال هذه التجربة ، قمنا ببساطة بتسجيل جهد RMS للضوضاء الذي تم قياسه بواسطة مرسمة الذبذبات 20 مرة لـ 8 جهدات مختلفة داخل دائرة الصورة الضوئية VF. بعد ذلك كسرنا دائرة الصور وسجلنا مستوى الضوضاء في الخلفية.
في هذه الدائرة ، يمكن تغيير الضوضاء التي يتم قياسها بشكل طفيف اعتمادًا على وقت التكامل الذي يستخدمه راسم الذبذبات ، ومع ذلك ، فإن هذا يتراوح في حدود 0.1 ٪ من عدم اليقين ويمكننا تجاهله ، لأنه يسيطر عليه من خلال عدم اليقين الناجم عن تقلبات عشوائية داخل الجهد.
إطلاق النار الضوضاء الحالية الصيغة
تحدث ضوضاء الرصاص عندما يتدفق التيار في جميع أنحاء أ السندات الإذنية تقاطع . هناك تقاطعات مختلفة موجودة على دوائر متكاملة . عبور الحاجز هو ببساطة عشوائي والتيار المستمر الناتج هو مجموع إشارات التيار الأولي العشوائية المختلفة. هذه الضوضاء مستقرة فوق كل الترددات. يتم عرض الصيغة الحالية لضوضاء اللقطة أدناه.
في = √2qIΔf
أين،
'q' هو شحنة الإلكترون التي تعادل 1.6 × 10-19 كولوم.
'أنا' هو تدفق التيار عبر التقاطع.
'Δf' هو النطاق الترددي في هيرتز.
ضجيج B / W Shot و Johnson Noise و Impulse Noise
تتم مناقشة الفرق بين ضوضاء اللقطة وضوضاء جونسون وضوضاء الاندفاع أدناه.
|
الضوضاء النار |
ضوضاء جونسون |
ضوضاء الاندفاع |
| يُعرف الضجيج الذي ينشأ بسبب الطبيعة المنفصلة للشحنات المنقولة عبر الإلكترونات / الثقوب باسم ضوضاء اللقطة. | تُعرف الضوضاء الناتجة عن التحريض الحراري لحاملات الشحن باسم ضوضاء جونسون. | يُعرف الضجيج الذي يحمل صوتًا حادًا سريعًا ، وإلا فإن الانفجار السريع لمدة اللقطة مثل طلقة نارية يُعرف باسم ضوضاء الاندفاع. |
| تُعرف هذه الضوضاء أيضًا باسم الضوضاء الكمومية. | يُطلق على ضوضاء جونسون أيضًا اسم ضوضاء نيكويست / الضوضاء الحرارية. | تُعرف ضوضاء الاندفاع أيضًا باسم ضوضاء الانفجار. |
| هذه الضوضاء مستقلة عن التردد ودرجة الحرارة. | هذه الضوضاء تتناسب مع درجة الحرارة. | هذا لا يعتمد على درجة الحرارة. |
| تحدث هذه الضوضاء بشكل أساسي في عد الفوتون داخل الأجهزة البصرية ، حيث ترتبط هذه الضوضاء بطبيعة الجسيمات للحزمة. | تحدث الضوضاء الحرارية بشكل أساسي من خلال الحركة العشوائية للإلكترونات الحرة داخل الموصل والتي تنتج عن التحريض الحراري. | تحدث ضوضاء الاندفاع بشكل أساسي من خلال العواصف الرعدية وعابرات الجهد من خلال أنظمة التحويل الكهروميكانيكية. |
المميزات والعيوب
ال مزايا الضجيج تشمل ما يلي.
- ضوضاء اللقطة عند الترددات العالية هي الضوضاء المحددة لأجهزة الكشف الأرضية.
- يوفر هذا الضجيج ببساطة معلومات قيمة عن العمليات الفيزيائية الأساسية بخلاف الطرق التجريبية الأخرى.
- نظرًا لأن قوة الإشارة تتحسن بسرعة أكبر ، فإن النسبة النسبية لضوضاء اللقطة تقل وتزداد نسبة S / N.
ال مساوئ ضوضاء اللقطة تشمل ما يلي.
- تحدث هذه الضوضاء ببساطة بسبب التقلبات في عدد الفوتونات المكتشفة في الثنائي الضوئي.
- يحتاج إلى تعديل بيانات ما بعد القياس للتعويض عن فقد الإشارة بسبب مرشح التمرير المنخفض (LPF) المتكون من تقاطع النفق.
- هذه ضوضاء محدودة الكم. أشعة الليزر المختلفة قريبة جدًا من ضوضاء اللقطة ، كحد أدنى للترددات عالية الضوضاء.
التطبيقات
ال تطبيقات الضجيج تشمل ما يلي.
- تظهر هذه الضوضاء بشكل أساسي في أجهزة أشباه الموصلات مثل تقاطعات PN وتقاطعات الأنفاق وثنائيات حاجز شوتكي.
- إنه مهم في الفيزياء الأساسية ، والكشف البصري ، والإلكترونيات ، والاتصالات ، وما إلى ذلك.
- يتم مواجهة هذا النوع من الضوضاء في الدوائر الإلكترونية و RF كتأثير لطبيعة التيار الحبيبي.
- هذه الضوضاء لها دلالة كبيرة في نظام منخفض الطاقة للغاية.
- ترتبط هذه الضوضاء بطبيعة الشحن الكمي وحقن الناقل الفردي في جميع أنحاء تقاطع pn.
- تتميز هذه الضوضاء ببساطة عن تقلبات التيار في حالة التوازن التي تحدث دون أي جهد مطبق وبدون أي تدفق طبيعي للتيار.
- ضوضاء اللقطة هي التقلبات التي تعتمد على الوقت في التيار الكهربائي والتي تسببها تحيز شحنة الإلكترون.
س). لماذا يطلق النار على ضوضاء تسمى الضوضاء البيضاء؟
أ). تُعرف هذه الضوضاء كثيرًا باسم الضوضاء البيضاء لأنها تحتوي على كثافة طيفية ثابتة. الأمثلة الرئيسية للضوضاء البيضاء هي ضوضاء اللقطة والضوضاء الحرارية.
س). ما هو عامل الضوضاء في الاتصال؟
إنه مقياس تدهور نسبة S / N داخل الجهاز. لذلك ، فهي نسبة S / N Ratio عند i / p إلى نسبة S / N عند الإخراج.
س). ما هو ضوضاء اللقطة في جهاز الكشف الضوئي؟
أ). تُعزى ضوضاء اللقطة داخل جهاز الكشف الضوئي في اكتشاف التماثل البصري إما إلى تقلبات نقطة الصفر في المجال الكهرومغناطيسي الكمي ، وإلا إلى الطبيعة المنفصلة لإجراء امتصاص الفوتون.
س). كيف يتم قياس ضوضاء الرصاص؟
أ). يتم قياس هذه الضوضاء باستخدام هذا مثل ضوضاء اللقطة = 10 سجل (2hν / P) بوحدة dBc / Hz). إن 'c' داخل dBc متعلق بالإشارة ، وبالتالي فإننا نضاعف من خلال قوة الإشارة 'P' للحصول على قوة ضوضاء اللقطة في حدود dBm / Hz.
س). كيف تقلل من ضوضاء الرصاص؟
يمكن تقليل هذه الضوضاء بواسطة
- زيادة قوة الإشارة: ستؤدي زيادة كمية التيار في النظام إلى تقليل المساهمة النسبية لضوضاء اللقطة.
- حساب متوسط الإشارة: سيؤدي حساب متوسط قياسات متعددة للإشارة نفسها إلى تقليل ضوضاء اللقطة ، حيث سيتم تقليل الضوضاء بمرور الوقت.
- تنفيذ مرشحات الضوضاء: يمكن استخدام مرشحات مثل مرشحات تمرير منخفض لإزالة مكونات الضوضاء عالية التردد من الإشارة.
- تقليل درجة الحرارة: ستؤدي زيادة درجة حرارة النظام إلى زيادة مقدار الضوضاء الحرارية ، مما يجعل ضوضاء اللقطة أقل أهمية نسبيًا.
- اختيار الكاشف الصحيح: يمكن أن يؤدي استخدام كاشف مع منطقة نشطة أكبر أو كفاءة أعلى في جمع الإلكترونات إلى تقليل تأثير ضوضاء اللقطة.
وهكذا ، هذا هو لمحة عامة عن ضوضاء اللقطة وتطبيقاتها. عادة ، تحدث هذه الضوضاء عندما يكون هناك فرق جهد أو حاجز محتمل. بمجرد عبور حوامل الشحنة مثل الثقوب والإلكترونات الحاجز ، يمكن إنشاء هذه الضوضاء. على سبيل المثال ، سيولد الترانزستور والصمام الثنائي والأنبوب المفرغ ضوضاء طلقة. هنا سؤال لك ما هو الضجيج؟
