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散粒噪声产生的原因及电流公式

IC先生 IC先生 3997 2023-03-07 17:45:56

散粒噪声(Shot Noise)最早是由德国物理学家“沃尔特·肖特基”提出的,他在电子和离子发射理论的扩展中发挥了主要作用。在研究热电子阀或真空管时,他观察到即使所有外部噪声源都已移除,仍然存在两种噪声。他确定的一个是温度的结果,称为热噪声,而另一个是散粒噪声。

其实,在电子电路中,目前有不同类型的噪声源,例如约翰逊/热噪声、散粒噪声、1/f闪烁噪声。在本文中,小编将简单介绍散粒噪声的相关基础内容。

基本概念

由电荷的离散性质产生的一种电子噪声称为散粒噪声。在电子电路中,这种噪声在直流电流中具有随机波动,因为实际上电流具有电子流。

散粒噪声主要在肖特基势垒二极管、PN结和隧道结等半导体器件中很明显。与热噪声不同,这种噪声主要取决于电流的流动,尤其是在PN隧道结器件中更为明显。此外,散粒噪声对于极小的电流非常重要,主要在短时间尺度上测量时,当电流非常小时,散粒噪声非常显著,这主要是由于统计电流。

散粒噪声模型

(短沟道金属氧化物半导体场效应晶体管的散粒噪声模型)

散粒噪声电路

带有光电组装电路的散粒噪声实验装置如下所示。该设置包括一个可变强度灯泡和光电二极管,它们连接到一个简单的电路。在下面的电路中,万用表用于测量与光电电路串联的射频电阻两端的电源电压。

电路中的开关选择是否可以将光电流(或)校准信号提供给电路的其余部分。右侧的运算放大器与电阻并联,使散粒噪声组件盒具有大约十倍的增益。

散粒噪声电路

示波器用于以数字方式合并生成的噪声信号。函数发生器与衰减器串联使用以调整增益曲线。在这里,可以通过使用函数发生器的衰减正弦信号对测量链进行非常仔细的校准来开始散粒噪声实验。

记录增益 (g(f) = Vout(f)/Vin(f))。

在这个实验中,简单地记录了光电电路VF内8个不同电压的20次示波器测量的噪声的RMS电压。之后,断开了光电电路并记录了背景中的噪音水平。

在此外电路中,根据示波器使用的积分时间,测得的噪声可能会略有变化,但是,这仅有0.1%的不确定性,所以可以忽略它,因为它主要是由电压内的随机波动引起的不确定性。

散粒噪声电流公式

电流流过PN结时会出现散粒噪声。集成电路上存在各种结点  。势垒穿透是随机的,产生的直流电流是各种随机基本电流信号的总和。这种噪声在所有频率之上都是稳定的。散粒噪声电流公式如下所示:

In=√2qIΔf

其中,“q”是电子的电荷,相当于1.6×10 -19库仑、“I”是整个结点的电流、'Δf' 是以赫兹为单位的带宽。

散粒噪声、约翰逊噪声和脉冲噪声的区别差异

下面简单介绍散粒噪声、约翰逊噪声和脉冲噪声之间的区别,具体如下表格所示:

散粒噪声 约翰逊噪声 脉冲噪声
通过电子/空穴携带的电荷的离散性质而产生的噪声被称为散粒噪声。 通过电荷载流子的热扰动产生的噪声被称为约翰逊噪声。 保持快速尖锐声音的噪音,或者像枪声一样快速爆炸的射击持续时间被称为脉冲噪音。
也称为量子噪声或黑体辐射噪声。 也称为奈奎斯特噪声/热噪声。 也称为突发噪声。
与频率和温度无关。 与温度成正比。 与温度无关。
主要出现在光学设备内的光子计数中,只要这种噪声与光束的粒子性质相关联。 主要是由自由电子在导体内的随机运动引起的,这是由热扰动引起的。 主要通过雷电风暴和机电开关系统的电压瞬变发生。

散粒噪声优缺点

散粒噪声是所有电路和系统中都存在的一种本质噪声,它的特点是频率范围广,幅度较低,且不易消除。

散粒噪声的优点包括以下几方面内容:

  • 高频散粒噪声是地面探测器的限制噪声;
  • 可以提供一种真正的随机性,用于密码学、随机数生成、模拟等领域;
  • 可以被用作电路和系统的测试工具,因为它可以揭示出电路和系统的灵敏度和可靠性;
  • 可以被用作低功耗电路的设计工具,因为它可以降低电路的噪声干扰;
  • 可以用于通信系统中的调制和解调;
  • 这种噪音只是提供了比其它实验方法更有价值的基本物理过程的信息。

散粒噪声的缺点包括以下内容:

  • 散粒噪声难以消除或减少,这对于需要高精度和高信噪比的应用场景可能是一个问题;
  • 它是一种无规律的、随机的噪声,因此在某些应用中需要通过滤波等方法来降低其对系统的影响;
  • 散粒噪声是一种不可预测的噪声,这使得它在某些应用中可能会引起不可预测的系统行为;
  • 定义为一种广义噪声,其频谱范围很宽,因此在某些应用中可能会对系统的工作频段产生限制。

主要应用

散粒噪声的应用包括以下几方面内容:

  • 这种噪声主要在PN结、隧道结和肖特基势垒二极管等半导体器件中可见。
  • 它在基础物理学、光学检测、电子学、电信等方面具有重要意义。
  • 由于颗粒电流性质的影响,电子和射频电路中会遇到这种类型的噪声。
  • 这种噪声在极低功耗系统中非常重要。
  • 这种噪声与量化的电荷性质和整个PN结中的单个载流子注入相关。
  • 可以简单地与平衡电流的波动区分开来,后者在没有施加任何电压且没有任何正常电流流动的情况下发生。
  • 散粒噪声是由电子电荷的离散性引起的电流内随时间变化的波动。

常见问题

为什么散粒噪声被称为白噪声?

答:这种噪声通常被称为白噪声,因为它具有一致的频谱密度。白噪声的主要例子是散粒噪声和热噪声。

什么是通信中的噪声因子?

答:它是器件内S/N比退化的量度。因此,它是i/p处的信噪比与输出处的信噪比之比。

什么是光电探测器中的散粒噪声?

答:在光学零差检测中,光电探测器内的散粒噪声要么归因于量化电磁场的零点波动,要么归因于光子吸收过程的独立性质。

如何测量散粒噪声?

答:散粒噪声是通过使用散粒噪声=10 log(2hν/P)(单位为dBc/Hz)公式来测量的。dBc中的'c'是相对于信号的,因此乘以信号功率'P'得到dBm/Hz范围内的散粒噪声功率。

如何降低散粒噪声?

答:这种噪音可以减少降低的,具体方法包括:

  1. 增加信号强度:增加系统中的电流量将减少散粒噪声的相对贡献。
  2. 对信号进行平均:对同一信号的多次测量进行平均将减少散粒噪声,因为噪声会随着时间的推移被平均掉。
  3. 实施噪声滤波器:低通滤波器等滤波器可用于去除信号中的高频噪声成分。
  4. 降低温度:提高系统温度会增加热噪声量,使散粒噪声相对不那么显着。
  5. 选择合适的检测器:使用有源面积更大或电子收集效率更高的检测器可以降低散粒噪声的影响。

总结

以上就是关于散粒噪声及其应用的相关内容概述。通常情况下,只要存在电压差或势垒,就会发生这种噪声。一旦空穴和电子等电荷载流子穿过势垒,就会产生这种噪声。例如,晶体管、二极管和真空管都会产生散粒噪声。

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