Шум Джонсона – Найквиста (тепловой шум, шум Джонсона или шум Найквиста ) - это электронный шум, создаваемый тепловым перемешиванием носителей заряда ( обычно электроны ) внутри электрического проводника в состоянии равновесия, которое происходит независимо от любого приложенного напряжения. Тепловой шум присутствует во всех электрических цепях, а в чувствительном электронном оборудовании, таком как радиоприемники, может заглушать слабые сигналы и может быть ограничивающим фактором чувствительности электрического измерительного прибора. Тепловой шум увеличивается с повышением температуры. Некоторое чувствительное электронное оборудование, такое как приемники радиотелескопов , охлаждается до криогенных температур для уменьшения теплового шума в их цепях. Общий статистический физический вывод этого шума называется теоремой о флуктуации-диссипации, где для характеристики среды используется обобщенное импеданс или обобщенная восприимчивость.
Тепловой шум в идеальном резисторе составляет приблизительно белый, что означает, что мощность спектральная плотность почти постоянна во всем частотном спектре (однако см. раздел ниже, посвященный чрезвычайно высоким частотам). При ограничении конечной шириной полосы тепловой шум имеет почти гауссово распределение амплитуд.
Этот тип шума был обнаружен и впервые измерен Джон Б. Джонсон в Bell Labs в 1926 году. Он рассказал о своих открытиях Гарри Найквисту, также в Bell Labs, который смог объяснить результаты.
Как заявил Найквист в своей статье 1928 года, сумма энергии в нормальных режимах электрических колебаний будет определять амплитуду шума. Найквист использовал закон равнораспределения Больцмана и Максвелла. Используя концепцию потенциальной энергии и гармонических осцилляторов закона равнораспределения,
где - плотность мощности шума в (Вт / Гц), - постоянная Больцмана, а - температура. Умножение уравнения на ширину полосы дает результат как мощность шума.
, где N - мощность шума, а B - полоса пропускания.
Тепловой шум отличается от дробового шума, который состоит из дополнительных флуктуаций тока, которые возникают, когда прикладывается напряжение и начинает течь макроскопический ток. В общем случае приведенное выше определение применяется к носителям заряда в проводящей среде любого типа (например, ионы в электролите ), а не только к резисторам.. Его можно смоделировать с помощью источника напряжения, представляющего шум неидеального резистора, соединенного последовательно с идеальным бесшумным резистором.
Односторонняя спектральная плотность мощности или отклонение напряжения (среднеквадратичное) на герц из ширины полосы, определяется как
, где k B равно Постоянная Больцмана в джоулях на кельвин, T - абсолютная температура резистора в кельвинах, а R - номинал резистора в омах (Ω). Используйте это уравнение для быстрого расчета при комнатной температуре:
Например, резистор 1 кОм при температуре 300 К имеет
Для данной полосы пропускания среднеквадратичное значение (RMS) напряжения, , определяется как
где Δf - полоса пропускания в герцах, в которой измеряется шум. Для резистора 1 кОм при комнатной температуре и полосе пропускания 10 кГц среднеквадратичное значение напряжения шума составляет 400 нВ. Полезное практическое правило: 50 Ом при полосе пропускания 1 Гц соответствуют шуму 1 нВ при комнатной температуре.
Резистор при коротком замыкании рассеивает мощность шума
Шум, создаваемый на резисторе, может передаваться на оставшуюся цепь; максимальная передача мощности шума происходит при согласовании импеданса, когда эквивалентное сопротивление Тевенина оставшейся цепи равно сопротивлению, генерирующему шум. В этом случае каждый из двух участвующих резисторов рассеивает шум как в себе, так и в другом резисторе. Поскольку на любом из этих резисторов падает только половина напряжения источника, результирующая мощность шума определяется как
где P - мощность теплового шума в ваттах. Обратите внимание, что это не зависит от сопротивления, генерирующего шум.
Источник шума также можно смоделировать с помощью источника тока, подключенного параллельно резистору, взяв эквивалент Norton, который соответствует простому делению на R. дает среднеквадратичное значение источника тока как:
Мощность сигнала часто бывает измеряется в дБм (децибел относительно 1 милливатт ). Из приведенного выше уравнения мощность шума в резисторе при комнатной температуре, в дБм, тогда равна:
Это обычно выглядит приблизительно для комнатной температуры (T = 300 K), где выражается в Гц, как:
Используя это уравнение, просто вычислить мощность шума для различных полос пропускания:
Ширина полосы | Мощность теплового шума. при 300 K (дБм ) | Примечания |
---|---|---|
1 Гц | −174 | |
10 Гц | −164 | |
100 Гц | - 154 | |
1 кГц | −144 | |
10 кГц | −134 | FM канал двусторонней радиосвязи |
100 кГц | −124 | |
180 кГц | −121,45 | Один блок ресурсов LTE |
200 кГц | −121 | GSM канал |
1 МГц | −114 | канал Bluetooth |
2 МГц | −111 | Коммерческий GPS канал |
3,84 МГц | −108 | UMTS канал |
6 МГц | −106 | Аналоговое телевидение канал |
20 МГц | −101 | канал WLAN 802.11 |
40 МГц | −98 | WLAN 802.11n канал 40 МГц |
80 МГц | −95 | WLAN 802.11ac канал 80 МГц |
160 МГц z | −92 | WLAN 802.11ac канал 160 МГц |
1 ГГц | −84 | канал СШП |
Идеальные конденсаторы, как устройства без потерь, не имеют теплового шума, но, как обычно используется с резисторами в RC-цепи , комбинация имеет так называемый шум kTC. Ширина полосы шума RC-цепи составляет Δf = 1 / (4RC). Когда это подставляется в уравнение теплового шума, результат имеет необычно простую форму, поскольку значение сопротивления (R) выпадает из уравнения. Это связано с тем, что более высокое R уменьшает полосу пропускания так же, как увеличивает шум.
Среднеквадратичное и среднеквадратичное шумовое напряжение, генерируемое в таком фильтре, составляют:
заряд шума - это емкость, умноженная на напряжение:
Этот зарядовый шум является источником термина "шум kTC".
Несмотря на независимость от номинала резистора, 100% шума kTC возникает в резисторе. Следовательно, если резистор и конденсатор имеют разные температуры, в приведенном выше расчете следует использовать только температуру резистора.
Крайний случай - это предел нулевой полосы пропускания, называемый шумом сброса, который остается на конденсаторе при размыкании идеального переключателя. Сопротивление бесконечно, но формула все еще применима; однако теперь среднеквадратичное значение должно интерпретироваться не как среднее по времени, а как среднее значение по множеству таких событий сброса, поскольку напряжение постоянно, когда полоса пропускания равна нулю. В этом смысле шум Джонсона RC-цепи может рассматриваться как неотъемлемый эффект термодинамического распределения количества электронов на конденсаторе, даже без использования резистора.
Шум вызван не самим конденсатором, а термодинамическими колебаниями количества заряда на конденсаторе. После отключения конденсатора от проводящей цепи термодинамические колебания фиксируются до случайного значения со стандартным отклонением , как указано выше. Шум сброса емкостных датчиков часто является ограничивающим источником шума, например, в датчиках изображения.
Любая система в тепловом равновесии имеет переменные состояния со средним значением энергия kT / 2 на степень свободы. Используя формулу для энергии на конденсаторе (E = ½CV), можно увидеть, что средняя энергия шума на конденсаторе также составляет ½C (kT / C) = kT / 2. Тепловой шум на конденсаторе может быть выведен из этого соотношения без учета сопротивления.
Емкость | Электроны | ||
---|---|---|---|
1 fF | 2 мВ | 2 aC | 12,5 e |
10 фФ | 640 мкВ | 6,4 aC | 40 e |
100 fF | 200 мкВ | 20 aC | 125 e |
1 пФ | 64 мкВ | 64 aC | 400 e |
10 пФ | 20 мкВ | 200 переменного тока | 1250 e |
100 пФ | 6,4 мкВ | 640 переменного тока | 4000 e |
1 нФ | 2 мкВ | 2 fC | 12500 e |
Шум напряжения, описанный выше, является частным случаем чисто резистивной составляющей для низких частот. В общем, тепловой электрический шум по-прежнему связан с резистивным откликом во многих более общих электрических случаях, как следствие теоремы о флуктуации-диссипации. Ниже отмечаются различные обобщения. Все эти обобщения имеют общее ограничение: они применяются только в тех случаях, когда рассматриваемый электрический компонент является чисто пассивным и линейным.
В оригинальной статье Найквиста также предоставлен обобщенный шум для компонентов, имеющих частично реактивный отклик, например, источников, содержащих конденсаторы или катушки индуктивности. Такой компонент может быть описан частотно-зависимым комплексным электрическим импедансом . Формула для спектральной плотности мощности последовательного шумового напряжения:
Функция просто равно 1, за исключением очень высоких частот или почти абсолютного нуля (см. Ниже).
Реальная часть импеданса, , обычно зависит от частоты и поэтому шум Джонсона – Найквиста не является белым шумом. Среднеквадратичное значение напряжения шума в диапазоне частот от до может быть найдено интегрированием спектральной плотности мощности:
В качестве альтернативы можно использовать параллельный шумовой ток для описания шума Джонсона, его спектральная плотность мощности равна
где - электрическая проводимость ; обратите внимание, что
Найквист также указал, что квантовые эффекты возникают для очень высоких частот или очень низких температур, близких к абсолютному нулю. Функция обычно задается формулой
где равно постоянная Планка.
на очень высоких частотах , функция начинает экспоненциально уменьшаться до нуля. При комнатной температуре этот переход происходит в терагерцах, что намного превышает возможности обычной электроники, поэтому можно установить для обычной работы электроники.
Формула Найквиста по сути такая же, как и полученная Планком в 1901 году для электромагнитного излучения черного тела в одном измерении, то есть это одномерная версия Закон Планка о излучении абсолютно черного тела. Другими словами, горячий резистор будет создавать электромагнитные волны на линии передачи точно так же, как горячий объект будет создавать электромагнитные волны в свободном пространстве.
В 1946 году Дике подробно описал взаимосвязь и далее связал ее со свойствами антенн, в частности с тем фактом, что средняя апертура антенны по всем различным направлениям не может быть больше, чем , где λ - длина волны. Это происходит из-за разной частотной зависимости трехмерного и одномерного закона Планка.
Ричард К. Твисс распространил формулы Найквиста на многопортовые пассивные электрические сети, включая невзаимные устройства, такие как циркуляторы и изоляторы. Тепловой шум появляется на каждом порте и может быть описан как случайные последовательные источники напряжения, последовательно включенные с каждым портом. Случайные напряжения на разных портах могут быть коррелированы, а их амплитуды и корреляции полностью описываются набором функций кросс-спектральной плотности, связывающих различные напряжения шума,
где - элементы матрицы импеданса . Опять же, альтернативное описание шума вместо этого в терминах параллельных источников тока, приложенных к каждому порту. Их кросс-спектральная плотность определяется как
где - это матрица проводимости.
полное обобщение шума Найквиста найдено в, который описывает шум плотность тока внутри сплошной среды с диссипативным откликом в функции непрерывного отклика, такой как диэлектрическая проницаемость или магнитная проницаемость. Уравнения флуктуационной электродинамики обеспечивают общую основу для описания шума Джонсона – Найквиста и свободного пространства излучения черного тела.
В эту статью включены материалы общественного достояния из документа Администрации общих служб : «Федеральный стандарт 1037C».(в поддержку MIL-STD-188 )