Termal gürültü

Isı Gürültüsü Türleri

Elektronikte ısı gürültüsü, genellikle mutlak sıfır sıcaklık noktalarında yük taşıyıcılarının rastgele dalgalanması nedeniyle sinyalde meydana gelen küçük bir bozukluktur. Bunun nedeni, evrendeki tüm parçacıkların ve atomların titreşmesi ve kinetik enerjiye sahip olmasıdır ve bu da gürültü veya ses üretir. Bu, genellikle tespit edilmeyen veya göz ardı edilen bir tür elektronik gürültü veya sinyaldir. Gürültünün farklı biçimleri, yüklü parçacıkların rastgele hareketinden kaynaklanır. Farklı türleri şunlardır:

• Johnson-Nyquist: Ayrıca direnç veya Johnson gürültüsü olarak da bilinen bu gürültü, Johnson tarafından 1928'de bir direnç boyunca ölçülen voltajda dalgalanmaları ölçerken keşfedildi. Dengede olan direncin, termal ajitasyon nedeniyle dalgalanmaları vardır. Boyutu veya şekli ne olursa olsun, mutlak sıfırın üzerinde bir sıcaklıkta tutulan tüm iletken malzemeler bu gürültüyü sergiler.
• Atış Gürültüsü: Atış gürültüsü, akımın elektronlar veya iyonlar gibi ayrık taşıyıcılar tarafından taşındığında ortaya çıkar. Akım akışında termal gürültü gibi dalgalanmalara neden olabilecek birçok işlem yer alır. Bu gürültü, yarı iletken diyotlarda ve bipolar bağlantılı transistörlerde yaygındır.
• Flicker Gürültüsü: 1/f gürültüsü olarak da adlandırılan bu gürültü, rastgele frekansa ve zamana sahip bir tür elektronik gürültüdür. Flicker gürültüsünün güç spektral yoğunluğu, frekansın tersine orantılıdır, bu nedenle 1/f terimi kullanılır. Bu gürültünün kökeni, dengesiz termodinamik sistemler tarafından üretilen birçok farklı malzeme türünde ve dalgalanma kalitesinde bulunabilir. Flicker gürültüsü, birçok değişken ve bunların yavaş dalgalanmalarından oluşan herhangi bir sistem tarafından üretilebilir.

İşlev ve Özellikler

Isı gürültüsünün önemli özellikleri arasında gürültü sıcaklığı, bant genişliği ve ölçüm teknikleri bulunur. Gürültü sıcaklığı, Johnson–Nyquist gürültüsü olarak bilinen gürültü seviyesini gösterir. Diğer dış seslerin varlığında, ısı gürültüsünün gürültü sıcaklığını ölçmek çok zordur. Gürültü sıcaklığını ölçmek için, gürültü seviyesini diğer ses seviyelerinden izole etmek gerekir.

Isı gürültüsü, bant genişliği olarak bilinen tüm işitilebilir ses aralığında bulunur. Bant genişliği, gürültü seviyesini tanımlamada önemlidir, çünkü gürültü seviyesi bant genişliğinin artmasıyla birlikte artacaktır. Bu, gürültü seviyesinin bant genişliğine doğrudan orantılı olduğu anlamına gelir; bant genişliği ne kadar büyük olursa, ısı gürültüsü seviyesi o kadar yüksek olur.

Isı gürültüsünü ölçmek, gürültü seviyelerinin dalgalanmasına veya değişmesine neden olan faktörleri anlamaya yardımcı olur. Isı gürültüsündeki dalgalanmalar, sıcaklık veya direnç gibi faktörlerden kaynaklanabilir. Isı gürültüsünü ölçmek için çeşitli yöntemler vardır. En yaygın kullanılan yöntem, kısa bir süre boyunca bir direnç boyunca gürültü voltajını ölçmektir. Direnç termal dengede ise, gürültü doğru bir şekilde ölçülecektir. Gürültü seviyesi ayrıca gürültü voltajı yerine gürültü akımını ölçerek de ölçülebilir. Gürültü akımı ölçümü yalnızca ölçüm cihazının ölçülen dirençle karşılaştırıldığında düşük bir empedansa sahip olması durumunda doğru olacaktır. Kirchhoff yasası ayrıca gürültü gücü ölçümü yoluyla ısı gürültüsünü ölçmek için de kullanılabilir. Gürültü gücü, P=kT formülü kullanılarak hesaplanır, burada P güç, k Boltzmann sabiti ve T mutlak sıcaklıktır.

Isı Gürültüsünün Senaryoları

Isı gürültüsünün uygulamaları şunları içerir:

• Astrofizik ve kozmoloji çalışması

  Evreni ve kökenlerini araştıran araştırmacılar, evrenin sıcaklığı, yoğunluk dalgalanması ve erken durumu hakkında bilgi toplamak için kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunda bulunan ısı gürültüsünü kullanırlar. Bundan elde edilen bilgi, bilim insanlarının evrenin genişlemesini, yapısını ve bileşimini daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir.

• Elektronik termometre ölçümü

  Son derece düşük sıcaklıkları ölçme durumunda, ısı gürültüsünün varlığı önemlidir. Isı gürültüsü, entropinin varlığını ve sistemin rastgele karakterini gösterdiğinden, bilim insanları bu koşullarda ısı gürültüsü davranışını inceleyerek düşük sıcaklıklarda kuantum sistemleri ve parçacıklar hakkında daha fazla bilgi edinebilirler.

• Kuantum mekaniği araştırması

  Klasik ve kuantum sistemleri arasındaki sınırı araştıran bilim insanları, ısı gürültüsünü inceleyerek ısı gürültüsü ile kuantum davranışı arasındaki etkileşimi öğrenirler. Bu, kuantum ölçümlerinin anlaşılmasına yardımcı olur, örneğin ısı gürültüsünün kuantum ölçümlerinin hassasiyeti ve kuantum durumu manipülasyonu üzerindeki etkisi gibi.

• Temel Fizik Araştırması

  Termodinamik gibi fiziğin temel alanlarını öğrenmek için, bilim insanları ısı gürültüsünü, termodinamiğin ikinci yasası gibi temel kavramları test etmek için bir prob olarak kullanarak ısı gürültüsü ile entropi üretimi arasındaki ilişkiyi anlamak isterler.

• Sinyal İşleme Uygulamaları

  Birçok alan gürültülü sinyaller üzerinde sinyal işleme gerçekleştirir ve telekomünikasyon, biyomedikal görüntüleme ve uzaktan algılamada uygulamaları olan, veriyi ısı gürültüsünden ayırmak için algoritmalar ve yöntemler geliştirir.

  Bir sistemdeki ısı gürültüsünü ölçmek, sistemin sıcaklığı ve manyetizma seviyesi hakkında fikir verebilir ve mutlak sıfırın üzerinde bir sıcaklıkta elektrik direncine sahip herhangi bir sistem ısı gürültüsü üretir. Bu, bir sistemdeki gürültüyü karakterize etmek ve tanımlamak için önemlidir.

Isı Gürültüsünü Nasıl Seçersiniz?

Bir sistemdeki ısı gürültüsünü hesaplamak için, önce gürültüye katkıda bulunan her direnci tanımlamalı, ardından her gürültü kaynağının hangi sıcaklıkta olduğunu ölçmelisiniz. Direnç sıcaklığı bir ile üç yüz Kelvin arasında olmalı ve direncin termal dengeye ulaşması için geçen süre, elektronun ölçüm devresinde geçirdiği süreden daha uzun olmalıdır. Bu tamamlandıktan sonra, yukarıda gösterilen formülü kullanarak ısı gürültüsü voltajını hesaplayın.

Matematiksel olarak ele alınması kolay bir gürültü kaynağı seçmek için, dirençlerin ve işlem yükselticisinin aynı sıcaklıkta olduğu bir sistem seçmelisiniz. Dirençler gürültüden farklı bir sıcaklıkta ise, gürültü, amplifikatörün bant genişliğinin yarısını geçmeyen bir bant genişliğinde zayıflatılmalı ve gürültü voltajı, bir artı (f bölü fc alt simgesi) karesi'nin karekökü'nün tersine çarpılmalıdır. burada f devrenin bant genişliği ve fc devrenin kesme frekansıdır.

Rezervuarlar farklı sıcaklıklarda ise, gürültü bir artı (f bölü fc alt simgesi) karesi'nin karekökü'nün tersine çarpılmalıdır. Ayrıca, ölçüm devresinin bant genişliğinin yarısını geçmeyen bir bant genişliğinde test edilmelidir. Rezervuarların farklı sıcaklığı ayrıca gürültüyü, ilk rezervuarın sıcaklığı eksi ikinci rezervuarın sıcaklığı çarpı Boltzmann sabiti bölü bir artı gürültü sıcaklığı çarpı Boltzmann sabiti çarpı rezervuar sıcaklıkları arasındaki fark bölü rezervuarlardaki sıcaklıkların ürünü çarpı ilk rezervuardaki kapasitans ile çarparak da dikkate alınmalıdır.

Isı gürültüsü voltajı oluşturmak için, gürültü kaynağını ölçülen devrenin bir parçası yapmak gerekir, böylece termal gürültü voltajı ve akımı ölçülebilir. Ölçülen voltaj, devrenin direncini belirlemek için akıma bölünmelidir. Gürültü akımı ayrıca gürültü voltajını devrenin toplam empedansına bölerek de hesaplanabilir. Devredeki voltaj ve akım gürültüsü, bir vektör voltmetre veya bir akım gürültüsü ölçüm cihazı kullanılarak incelenebilir.

S&C

S: Isı gürültüsü nasıl üretilir?

C: Isı gürültüsü, termal ajitasyon nedeniyle bir iletkendeki elektronların rastgele hareketinden kaynaklanır. Bu hareket, ilk tanımlayan araştırmacılardan sonra Johnson-Nyquist gürültüsü olarak bilinen küçük, rastgele bir elektrik akımı üretir.

S: Isı gürültüsünü etkileyen faktörler nelerdir?

C: Bir sistemdeki ısı gürültüsü miktarı, sistemin sıcaklığına ve iletkenin direncine bağlıdır. Daha yüksek sıcaklıklar ve dirençler daha fazla gürültüye neden olur.

S: Isı gürültüsünü azaltmanın bir yolu var mı?

C: Bir sistemden ısı gürültüsünü tamamen ortadan kaldırmanın bir yolu yoktur, ancak sıcaklığı düşürerek ve direnci artırarak en aza indirilebilir.