Kohina. Mittaustekniikan perusteet / luento 7. Kohina. Kohina. Kohinan mittaaminen. Kohinan mittaaminen. Kohinatyypit Mittausvahvistin

Transkriptio

1 Mittutkiik prutt / luto 7 Kohi Kohi mittmi Kohi liittyvää trmiologi Kohityypit Mittuvhviti Kohi Kohit ihutuvt mittut primmäit rjoitukt. Ku mitt piiä iglj, mittuk lrj (piimmä mitttv igli) määrää ytmi virr, jäitt, lämpötil ti riti poti luktutio. Kohill trkoitt lktroi järjtlmää poti luktutiot, jok ihutuu joki litt, kompoti ti mtrili yiikt Kohi Kohi o tuimuuttuj, jok void määritllä iot tiltolliti. Kohi käyttäytymitä i void ut ikä itä void poit. Suuittlullii kioi itä void kuitki miimoid. Kohi ytyy vikutt i uuri joukko tkijöitä, imrkiki riti lämpökohi yyttävät kikki vrukkuljttjt yhdä. Kohi mittmi Kohi RMS rvo tityllä tjuukitll void mitt moill tvoi: Okillokooppi, RMS-ylimittri, thomittri... Kohi mitt uimmi pktrilyttorill Sd tito kohitho jkutumit ri tjuukilll Spktri mittmi pktrilyttorill Amplitudipktri thollirvo/mplitudi tjuud uktio Käyttää mittt priodii iglj Spktrilyttori roluutiokitlvy määrää miimitjuuro, joll kki pktrikompotti o vilä rotttvi toiit

2 Kohi mittmi Kohi ittämi mplitudipktri vull i ol milkätä Tihypktri pktrlitihy (tho-, kohijäit- ti kohivirttihy) ykikkökitll ( Hz). Uimmit pktrilyttorit löytyy tu, joll äyttävät uor pktrlitihyttä (kohijäittihy) Spktrlitihy void lk mplitudipktritä, ku tidtää pktrilyttori kohikitlvy Spktrilyttori kohikitlvy i ol ykikkökit, v pljo uurmpi, jop mghrtjä Spktrilyttori om kohi o primmäi rjoitu kohimittuki thtää Kohi mittmi Kohijäittihy mplitudipktritä Mit kohi äkyy mplitudipktriä? Spktrilyttori kohikitlvy määrää tjuukit, jok kohi RMS-rvo pktrilyttori äyttää kit kkitjuudll (vrt. mittu im. RMS-volttimittrill). Oltt, ttä kohi o vlkoit lkt kohijäittihy, jok ko. kohikitlvydllä t m RMS-rvo. Kohi vikutu mplitudipktri mittmi Spktrilyttori kohikitlvy vikutt lyttori ruudull äkyvä kohi too Kohikitlvy vikutt igli-kohiuht Kohi mittmi Kohi mittmi Tihykitä thoo ti RMS rvoihi Kohi thotihy Thotihyd ykiköt: [W/Hz] (ti [V /Hz], [A /Hz]) b P S ) d Kohijäittihy ti kohivirttihy Ykiköt: [V/Hz / ]ti [A/Hz / ] b V u ( ) d rm ( 0 Vlkoi kohi: S ( ) S P S ( b ) Vlkoi kohi: 0 u ( ) u 0 Tjuuväli Miki kohikitlvy roluutikokitlvy? Ei -3 db rjtjuu Kohikitlvy riippuu roluutiokitlvydtä j uotim jyrkkyydtä B A 0 0 A ( ) d -3 db V rm b u0 d u0 ( b ) u0 b Tjuuväli Kohikitlvy > roluutiokitlvy

3 Kohi mittmi Kohi itytvt (yhtvto) Tho ti thollirvo vull: Kohitho ti jäitt thollirvo opivt kuvm kohi tityllä kitll Tihypktri vull: Spktrlit tihyttä void käyttää itttää kohi jkutumit ri tjuukill Thotihyd ykiköt: [W/Hz, V /Hz ti A /Hz] Kohijäittihy ti -virttihy: [V/Hz / ti A/Hz / ] Ui pktrilyttori o moodi, joll d mitttu uor pktrlii tihykiä (jäittll) Kohittom igli tho P j kohitho P uhd: P SNR 0log P [ db] ti igli thollirvo V RMS j kohi thollirvo uhd: V RMS SNR 0log Kohi mittmi Määritlmä: igli-kohiuhd [ db] Kohityypit Kohimkimj: Rkohi /-kohi Kombitio-rkombitio -kohi Kohi trmiä pätpio. Avlch-kohi (Zr-diodit). ihutuu vrukkuljttji tuiit opumuutokit: Vrukkuljttji liik o lämpörgi yyttämää Nopumuutokt ihutuvt törmäykitä kidhil Trmitä kohi ytyy vi rgi lämmöki muuttvi kompoti: lktroii litti ritiivit kompotit kohivt määrää ritiivi kompoti piimmä kohito

4 Trmitä kohi o i, ku ritiivi kompotti o trmiä tpio ympäritöä k. void ymmärtää mkimi, jok ylläpitää trmi tpio: Pitä tuit poikkm tpiot ur (kkimääri) rlktio kohti tpio. Suuri määrä mikrokooppii poikkmi ihutt hvittv trmi kohi. void ittää toiit riippumttomi törmäyt ihuttmi mlit puli joo. Kok pulit ovt toiit riippumttomi, o puli väli ik Poio-jkutuut. Pulijoo yyttämä kohi ltomuoto x(t) o: x ( t ) ( t ) K: puli mplitudi k k t k Puli muoto K: puli lkuhtki Tällöi kohi thotihy void ittää muodo: Croi tormt: ν S x ( ) F( Kkimääräi toitotjuu Puli muodo F-muuo ) Kkimääräi mplitudi liö Erikoitpu: Puli muoto o impuli impulijoo thotihy: ( ) ν Tämä o tärkä tulo, kok trmitä kohi void pprokimoid impulijooll: Kkimääräi toitotjuu ν j mplitudi void lk tiltolli yiik vull S u ( ) 4kTR Kohitho o titi jkutuut ri tjuukill, li kyä o. vlkoi kohi. Vlkoi kohi mplitudi o Guiti jkutuut S x (F ( ω) ) kbolzmi vkio Tboluutti lämpötil [K] Rriti

5 Mit tätä S x ( ) ν päätää tähä S u ( ) 4kTR??? Trktll vtut, jok riti o R Pit-l A Törmäytväli mtk l Pituu L Liätito - i kyllä ttiä ti lutokuulutlu Tilvuu VLA Vrukkuljttjtihy tilvuuykiköä Törmäyt väli ik τ Vrukkuljttj vru Nyt void kirjoitt: Liätito - i kyllä ttiä ti lutokuulutlu Eittää R ritiiviyyd vulll: VLA S u S V l u( ) ν R τ L Toitotjuu V l S ( ) τ L L A µ u Amplitudi R Ritiiviyy, miä µ o vrukkuljttj liikkuvuu V l L ( ) R R τ L A µ τ µ Vrukkuljttj kkimääräi opu: v µe Toilt vrukkuljttj kiihtyvyy ähköktää o: E E v τ τ m m Liätito - i kyllä ttiä ti lutokuulutlu Rtkit µ Kkimääräit opuki täytyy oll mt: E τ µ E τ µ m m Tiltollit yiikt: kt m v kt m v Kkimääräi opu void ilmit myö: Liätito - i kyllä ttiä ti lutokuulutlu l v τ m ktτ l Nyt vihdoi d vrukkuljttji liikkuvuu µ ilmitu tuttuj uurid vull: τ µ m τ l kt τ ktτ

6 Liätito - i kyllä ttiä ti lutokuulutlu S Thotihydll tii lu: Su ( ) R τ µ Nyt tut myö µ: µ ktτ Lopputulo: ) τ ktτ R u ( 4 ktr S u ( ) 4kTR u 4kTBR Trmi kohijäitt Trmi kohijäitt thotihy thollirvo kbolzmi vkio Tboluutti lämpötil [K] Rriti Bkitlvy Vi lämpötil j tjuukit vikuttvt vtukt tv kohithoo. Riti uuruu i vikut. P v ktb kbolzmi vkio Tboluutti lämpötil [K] Bkitlvy i voi oll vlkoit äärttömill tjuukill, kok tällöi tho olii äärtö. Vrutkuljttji lämpöliikk ihuttmi törmäyt väli ik rjoitt korkid tjuuki ytymitä. Tämä tul huomioid thtää mittuki mtli lämpötiloi (kryottit) ti korkill (THz) tjuukill. Rkohi Rkohi ytyy kompoti, joi virt t rillit vrut kuljttm (tuloitumi). Tällii kompottj ovt mm. tritori j diodi (PN-rjpit) kä tyhjiöputkt. Myö rkohi void ittää tuiti ytyvi mlit (im)puli joo, jok thotihy o: S x ( ) ν Nyt toitotjuu ν j puli mplitudi void lk hlpoti: ν I dc /, S ( ) I x dc

7 Rkohi Rkohi o myö vlkoit kohi, jok mplitudi o Guiti jkutuut. Korkill tjuukill rkohi rjoitt kulkuikviiv. S ( ) i I dc Rkohivirr thotihy lkivru I dc DC-virt B kitlvy I rm I dc B Rkohivirr thollirvo /-kohi Mtlill tjuukill iityvää kohi, jok lkuprä i ol (täyi) tido. /-kohi thotihy o (likimi)käätä vrrolli tjuut: α, α 0,5...,5 Void hvit lukuii ri ytmiä /-kohi Eimmäi hvito tyhjiöputki (Joho 95) Schottky: yy lktroi kuljtuilmiöiä Kuv: J. B. Joho, Phy. Rv. 6 (95) 7. /-kohi Shottky mlli: Tyhjiöputk virt vikuttvt ktodi loukkupitt, joit rlkoituu lktroj kpotilili mukiti: λt N ( t) N0, t 0 Sovllt tähä m lähtymitp kui trmill kohill, mutt: Pulit ivät ol impulj, v Shottky mlli mukii. Pulit ivät ol idttiiä, v rlktioopu λ o jotki jkutuut, im. tjkutuut välillä λ, λ N 0 ν N0νπ 0 < ω << λ N0ν << λ ) ( λ << ω << λ) ( λ << λ << ω) ω( λ λ ) ω (

8 /-kohi /-kohi Kuik lhill tjuudll /kohi ulottuu? Mlli klt olii tärkää koklliti lvittää λ j λ Uimmi tpuki /kohi ulottuu kuitki ii pitkäll kui mittut jtkt Mlli ylity: ähköiiä mtrili vrukkuljttjt jäävät loukkutiloihi, joit vputuvt vihtlvill opukill 0.0 Hz Kuv: B. Pllgrii t l, Phy. Rv. B7 (983) 33. Vtuki Hz Oprtiovhvitijoukko Kuv: M. A. Cloyid, J. Appl. Phy. 45 (974) 307. /-kohi Äärtö luktutio? Jo /-kohi jtkuu muuttumttom 0-tjuudll ti, ovt luktutiot äärttömiä Oko divrgillä yiklit mrkitytä? Uivrumi ikä ~ 0 0 vuott miimitjuu ~0-9 Hz Plcki ik (lyhy mitttvi olv ik) ~0-43 mkimitjuu ~0 43 Hz Väli: 6 dkdi /-kohill pät: d l kokoiluktutio voi oll vi ~60 krt luktutio (im.) välillä Hz - 0 Hz (luktutio dkdi kohd o vkio) /-kohi /-kohi iityy hyvi moi ytmiä /-kohill i ol ylitä, yliti hyväkyttyä, mlli ti tori vikk itä o titty /-kohill o tpukohtii mllj, jotk littävt yy ri kompoti/ilmiöiä Kkirvoittt riittäväti (pitkä itgroitiik mtl tjuu) tul /-kohi määrääväki (hyvi mtlill tjuukill tämä i välttämättä ää päd) /-kohi oll määräävä, i kkirvoitmit ol hyötyä

9 Kkirvoitu j kohi Mittuvhviti Mittuvhviti j kohi Kohi o mm. vhvitimi, turi... Vhvitu huoot i igli-kohiuhdtt Kohimlli: Korrloimttomt kohilähtt ummutuvt liölliti: K ( + + i t miä R ) K Z i R + Z i Kohilähtid yhtivikutu Korrloimto kohi ummutuu liölliti: Khd kohiläht thollirvo liö: T N RMS lim ( ( t ) + ( t )) dt T T N i i 0 T T T lim ( t ) dt + lim ( t ) dt + lim ( t ) ( t ) T T 0 T T 0 T T 0 dt Kohi liittyvää trmiologi Kohiluku F Kuv vhvitim ihuttm liäkohi igli. SNR I V Blck box SNR O Sigli-kohiuhd iäätulo Määritlmä: F Sigli-kohiuhd ulotulo N,RMS N,RMS 0 Korrltio (90 K lämpötil)

10 Vhvitim ovittmi SNR I SNR O V Blck box SNR I V 4kTR K V SNR O K t Mit vlit opiv vhviti? SNR I t + i R Miimoid kohiluku: F + SNR O 4kTR Drivt ollkoht R : uht: R Opt i i Kohiluvu miimi: FMi + kt