Напряжение теплового шума

Тепловой шум возникает из-за теплового движения носителей заряда в проводнике. Существование теплового шума было предсказано Эйнштейном в 1906г. Был открыт в 1928 году Джоном Б. Джонсоном который написал об этом Гарри Найквисту, последний смог вывести закономерности и формулу.

Исходя из формулы видно что тепловой шум зависит только от температуры проводника, сопротивления проводника и полосы частот в которой эти шумы меряются. Соответственно для уменьшения тепловых шумов необходимо уменьшать эти параметры.

Тепловой шум возникает только на активном сопротивлении Re(Z). Индуктивное и емкостное сопротивления не являются источниками теплового шума.

Уменьшить сопротивление можно применяя источники сигнала с невысоким внутренним сопротивлением и используя предварительные усилители с низким входным сопротивлением.

Уменьшить влияние полосы частот можно фильтрацией входного сигнала и исключения спектра нерабочих частот. При комнатной температуре (300 К) спектр теплового шума равномерный и подобен белому шуму вплоть до частот 6 терагерц.

Также уменьшение теплового шума возможно при уменьшении температуры проводника (сенсора). Особенно эффективно применение для этих целей жидкого гелия имеющего температуру кипения всего 4,2 кельвина. Данный подход применяют для головок теплового наведения, датчиков телескопов и т.д. Температура кипения жидкого азота 77 кельвинов, но учитывая квадратичную зависимость температуры от напряжения шумов, по сравнению с комнатной температурой, напряжение шумов снижается в жидком азоте примерно в два раза.

Ниже представлен онлайн калькулятор расчета напряжения теплового шума позволяющий оценить влияние температуры и сопротивления проводника и полосы частот в которой оценивается шум.

Также следует иметь ввиду что помимо тепловых шумов у резисторов имеются токовые шумы - обусловленные изменениями контактных сопротивлений проводящих частиц резистивного элемента. Токовые шумы обычно превышают тепловые шумы и отличаются для различных технологий изготовления резисторов. Проволочные резисторы обладают меньшим уровнем токовых шумов.

Спектр токового шума равномерен примерно до 10 МГц и далее спадает с ростом частоты.

Токовый шум пропорционален приложенному к резистору напряжению и измеряется в мкВ(шума)/В(приложенного напряжения)

Собственные шумы резистора состоят из суммы тепловых и токовых шумов и указываются производителем в документации.
Понравилась страница?
Добавить в закладки
Или поделиться!