Тепловой шум (шум Джонсона — Найквиста, джонсоновский шумв зарубежной литературе или найквистовский шум) — равновесный шум, обусловленный тепловым движением носителей заряда в проводнике, в результате чего на концах проводника возникает флуктуирующая разность потенциалов.
История В 1926 году Джон Б. Джонсон впервые экспериментально установил закономерности этого вида шума в Bell LabsJ. Johnson, «Thermal Agitation of Electricity in Conductors», Phys. Rev. 32, 97 (1928) — эксперимент. Затем он описал своё открытие Гарри Найквисту, который смог объяснить полученные результатыH. Nyquist, «Thermal Agitation of Electric Charge in Conductors», Phys. Rev. 32, 110 (1928) — теория.
Возникновение Тепловой шум возникает в любом проводнике электрического тока, обладающем активным сопротивлением, и связан с хаотичным движением подвижных носителей заряда, в результате которого на концах проводника появляются флуктуации напряжения. Реактивные сопротивления — ёмкости и индуктивности — не могут быть источниками теплового шума.
В металлах из-за большой концентрации электронов проводимости и малой длины свободного пробега тепловая скорость электронов во много раз превосходит скорость направленного движения в электрическом поле (скорость дрейфа). Поэтому мощность теплового шума зависит только от температуры и полосы частот, в которой производится измерение, и не зависит от приложенного напряжения, тока и частоты.
Напряжение Средний квадрат напряжения теплового шума зависит только от активного сопротивления проводника и абсолютной температуры проводника и может быть рассчитан по формуле Найквиста:
где — постоянная Больцмана, — полоса частот, в которой проводятся измерения.
Спектральная плотность мощности Спектральная плотность электродвижущей силы шумаВан дер Зил А. Шум. Источники, описание, измерение. — М.: Советское радио, 1973. — С. 50Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. — М.: Советское радио, 1966. — C. 103 (имеющая размерность В2·с):
где — постоянная Больцмана, — абсолютная температура проводника, — активное сопротивление проводника, — постоянная Планка, — частота.
В области частот, для которой выполняется неравенство , спектральную плотность можно считать постоянной и не зависящей от частоты:
Поэтому тепловой шум можно рассматривать в широком диапазоне частот как белый шум вплоть до частоты порядка:
При комнатной температуре (300 К):
ГцЖалуд В., Кулешов В. Н. Шумы в полупроводниковых устройствах. — М.: Советское радио, 1977. — C. 24.
Примечания
Литература
Категория:Шумы Категория:Шум (электроника)