雜訊、接地與電磁相容

散粒雜訊(shot noise)

電流並不是一條完美平滑的河。它是由無數個別的電荷,也就是電子,一個一個越過某個障壁所構成,像雨滴打在鐵皮屋頂上。落下的多時聽來是穩定的嘶聲,但細聽其實是一顆顆獨立的雨滴在隨機的時刻抵達。電流中的這種顆粒感就是散粒雜訊。凡是電荷各自獨立越過接面之處,例如二極體、電晶體與光二極體,它就會出現。

散粒雜訊電流的均方根值為 Inoise = sqrt(2 times q times I times B),其中 q 是電子電荷(1.6 x 10^-19 庫侖),I 是直流電流,B 是頻寬。注意其中藏著的意外:雜訊只隨電流的平方根增長,所以相對於訊號的雜訊(雜訊除以 I)反而會隨電流增大而變小。例如:1 mA 流過二極體、涵蓋 1 MHz 頻寬,得到 sqrt(2 times 1.6e-19 times 0.001 times 1e6),約 18 nanoamps rms,大約是這 1 mA 的百萬分之十八。和熱雜訊一樣,散粒雜訊在頻率上是白的。

散粒雜訊在電流極小之處最為要緊:只捕捉到幾顆光子的光二極體,或靈敏放大器的輸入偏壓電流。它是基本性的,源自電荷本身的離散性,所以你無法靠接線把它消掉。要誠實澄清一個常見誤解:一顆載有電流的普通電阻並不會表現出完整的散粒雜訊,因為其中的電子流被無數次碰撞抹平了。散粒雜訊需要電荷或多或少各自獨立地越過障壁,正如它們在 PN 接面所做的那樣。

一顆光二極體通過 10 microamps 的光電流、涵蓋 100 kHz 頻寬,產生約 sqrt(2 times 1.6e-19 times 1e-5 times 1e5)、大約 0.57 nanoamps 的散粒雜訊。這個數字就是該偵測器能感測多微弱光線的根本極限。

在電流極小之處,散粒雜訊就是你無法靠接線消除的底線。

散粒雜訊不是由劣質元件或草率佈局造成的,而是電荷越過接面時無可避免的顆粒感。提高電流會降低相對雜訊,但會增加絕對雜訊。

又稱
Schottky noise顆粒雜訊霰彈雜訊