Тепловой шум

Определение

Тепловой шум, также известный как шум Джонсона-Найквиста, - это электрический шум, вызванный случайным тепловым движением носителей заряда в проводнике или резисторе. Он возникает независимо от внешних источников напряжения и является фундаментальным свойством всех электрических компонентов при температурах выше абсолютного нуля.

Происхождение

Постоянное тепловое движение электронов вызывает небольшие колебания напряжения, которые можно измерить как шумовой сигнал. Более высокие температуры приводят к усилению шума.

Математическое описание

Эффективное шумовое напряжение _VRMS через резистор R описывается следующей формулой:

_VRMS=√_(4kB T R Δf)

_kB: постоянная Больцмана (1,38 × ^10-23 Дж/К)
T: температура (Кельвин)
R: Сопротивление (Ом)
Δf: полоса частот (Герц)

Свойства

Широкополосный: Распространяется по большому спектру частот (белый шум).
Зависимость от температуры: Повышение температуры увеличивает шум.
Неизбежный: Является частью основной характеристики электронных систем.

Техническое значение

Тепловой шум устанавливает фундаментальный предел чувствительности усилителей:

Усилители
Датчики
Радиоприемники
Медицинские приборы (например, ЭЭГ, ЭКГ)

Отличие от других типов шума

Дробовой шум: Возникает из-за дискретного переноса заряда.
1/f-шум: Увеличивается на низких частотах.
Шум квантования: Возникает при оцифровке аналоговых сигналов.

Резюме

Тепловой шум - это неизбежная, зависящая от температуры форма электрического шума, которая определяет пределы производительности электронных систем.