Toplotni šum

Opredelitev toplotnega šuma

Toplotni šum, znan tudi kot Johnson-Nyquistov šum, je električni šum, ki ga povzroča naključno toplotno gibanje nosilcev naboja v vodniku ali uporu. Pojavlja se neodvisno od zunanjih virov napetosti in je temeljna lastnost vseh električnih komponent pri temperaturah nad absolutno ničlo.

Izvor

Stalno toplotno gibanje elektronov povzroča majhna nihanja napetosti, ki jih lahko izmerimo kot šumni signal. Pri višjih temperaturah je šum močnejši.

Matematični opis

Efektivno šumno napetost _VRMS na uporu R opišemo z naslednjo formulo:

_VRMS=√_(4kB T R Δf)

_kB: Boltzmannova konstanta (1,38 × ^10-23 J/K)
T: temperatura (Kelvin)
R: upornost (Ohm)
Δf: frekvenčna pasovna širina (herci)

Lastnosti

Širokopasovni: Razdeljen v širokem frekvenčnem spektru (beli šum).
Odvisno od temperature: Z višanjem temperature se šum povečuje.
Neizogiben: Je del osnovne značilnosti elektronskih sistemov.

Tehnični pomen

Toplotni šum določa osnovno mejo občutljivosti ojačevalnikov:

Ojačevalniki
Senzorji
Radijski sprejemniki
Medicinske naprave (npr. EEG, EKG)

Razlikovanje od drugih vrst šuma

Šum ob strelu: Nastane zaradi prenosa diskretnega naboja.
1/f šum: Poveča se pri nizkih frekvencah.
Kvantifikacijski šum: Nastane pri digitalizaciji analognih signalov.

Povzetek

Toplotni šum je neizogibna, od temperature odvisna oblika električnega šuma, ki določa meje zmogljivosti elektronskih sistemov.