Soroll de dispar

El soroll de dispar, soroll de granalla o soroll shot és un tipo de soroll electrònic que té lloc quan el número finit de partícules que transporten energia, tals com els electrons en un circuit electrònic o els fotons en un dispositiu òptic, és suficientment chicotet per a donar lloc a l'aparició de fluctuacions estadístiques apreciables en una medició. Este tipo de soroll resulta important en electrònica, en telecomunicacions i en la física fonamental.

El nivell d'este soroll és tant major quant major siga el valor promig de l'intensitat de corrent elèctrica o de l'intensitat lluminosa, segons es tracte d'un dispositiu electrònic o òptic. No obstant, mentres que el nivell de senyal creix més ràpidament quant major és el seu nivell promig, a sovint el soroll de dispar només supon un problema quan es treballa en intensitat de corrent o intensitat lluminoses baixes.

Explicació

En els dispositius electrònics

El soroll de dispar en els dispositius electrònics consistix en fluctuacions aleatòries de la corrent elèctrica a través d'un conductor, causades pel fet de que la corrent es transporta en càrregues discretes (electrons). És originat pel moviment dels electrons o d'atres partícules carregades a través d'una unió. Açò no només ocorre en les unions p-n, sino en qualsevol conductor, inclús en les situacions en que la càrrega no estiga ben localisada.

Deu distinguir-se el soroll de dispar de les fluctuacions de corrent en equilibri, les quals es produïxen sense aplicar cap voltage i sense necessitat de que existixca cap fluix promig de corrent. Estes fluctuacions de la corrent d'equilibri es coneixen com soroll de Johnson-Nyquist.

El soroll de dispar es pot modelar com un procés de Poisson i els portadors de càrrega que formen la corrent seguixen una distribució de Poisson. Les fluctuacions de corrent tenen una desviació estàndar donada per:

${\sigma }_i=\sqrt{2qI\Delta f}$

a on $q$ és la càrrega elemental de l'electró i $I$ és la corrent promig a través del dispositiu. S'assumix que totes les cantitats estan referides en unitats del Sistema Internacional.

Per a una corrent de $100$ mA, la fòrmula anterior tira un valor de:

${\sigma }_i=0.18nA/\sqrt{Hz}$

Si es fa circular esta corrent de soroll a través d'un resistor, la potència de soroll resultant valdrà:

$P=2qI\Delta fR$.

Si la càrrega no està totalment localisada en el temps pero té una distribució temporal donada per $qF(t)$, sent l'integral de $F(t)$ sobre $t$ igual a l'unitat, llavors la densitat espectral de potència associada a la corrent de la senyal de soroll serà:

$S_i(f)=2qI|\Psi (f){|}^2,$

a on $\Psi (f)$ és la transformada de Fourier de $F(t)$.

Nota: tant el soroll de dispar com el soroll de Johnson-Nyquist són fluctuacions quàntiques. Alguns autors tracten abdós tipos de soroll com un únic concepte unificat. (vore la discussió).

En òptica

En l'òptica quàntica, el soroll de dispar s'origina per les fluctuacions dels fotons detectats, de nou com a conseqüència de la discretisació (en este cas, de la discretisació de l'energia en el camp electromagnètic). El soroll de dispar és una part important del soroll quàntic.

El soroll de dispar resulta mesurable tant en medicions de l'orde d'uns pocs fotons per mig de fotomultiplicadors com en medicions de intensitat lluminoses més fortes realisades a través de fotodiodos, quan s'ampren osciloscopis d'alta resolució temporal. Mentres que la fotocorriente és proporcional a l'intensitat lluminosa (número de fotons), les fluctuacions del camp electromagnètic estan normalment presents en l'intensitat de corrent elèctrica mida.

En el cas d'una font lluminosa coherent com pot ser un làser, el soroll de dispar s'escala com la raïl quadrada de l'intensitat promig:

$\Delta I^2\stackrel{\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{f}}{=}⟨{(I-⟨I⟩)}^2⟩\propto I$

Existix un llímit inferior similar del soroll quàntic per als amplificadors quàntics llineals. L'única excepció és que puga aplegar-se a un estat forçat coherent per mig de la generació de fotons correlada. Pot produir-se la reducció de l'incertitut sobre el número de fotons per modo (i, per lo tant, la fotocorriente) simplement per la saturació del guany; est és un cas intermig entre un làser en bloqueig de fase i un làser estabilisat en amplitut.

Càrrega espacial

Els dispositius electrònics de baix soroll es dissenyen de manera que el soroll de dispar siga suprimit per la repulsió electrostàtica dels portadors de càrrega. La llimitació de la càrrega espacial no és possible en els dispositius fotònics.

Vore també

• Soroll quàntic
• Energia del punt zero
• Fluctuació quàntica