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Signal

Johnson-Nyquist Thermischer Geräuschrechner

Berechnen Sie die thermische Rauschspannung, die Rauschleistung und die Rauschspektraldichte für Widerstände mithilfe der Johnson-Nyquist-Rauschformel

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Formel

Vn=√(4kTRB)V_n = √(4kTRB)
V_n— RMS-Rauschspannung (V)
k— Boltzmann-Konstante (1,38×10²³) (J/K)
T— Absolute Temperatur (K)
R— Widerstand (Ω)
B— Rauschbandbreite (Hz)

Wie es funktioniert

Der Johnson-Nyquist Noise Calculator berechnet die thermische Rauschspannung und Leistung von Widerständen — unverzichtbar für rauscharmes Verstärkerdesign, Sensorsignalkonditionierung und präzise Messsysteme. Entwickler analoger ICS, Instrumententechniker und Audioprofis nutzen ihn, um Grundgeräusche vorherzusagen und das Signal-Rausch-Verhältnis zu optimieren. Das thermische Rauschen wurde von Johnson (1928) entdeckt und von Nyquist theoretisch erklärt. Es entsteht durch zufällige Elektronenbewegungen in Leitern. Die Rauschspannung folgt Vn = sqrt (4kTrb), wobei k = 1,380649e-23 J/K (exakte SI-Konstante von 2019) ist. Bei 290 K erzeugt ein Widerstand von 1 kOhm eine Rauschdichte von 4,07 nV/sqrt (Hz) — diese grundlegende Grenze wirkt sich auf alle elektronischen Schaltungen aus. Laut Horowitz & Hill „Art of Electronics“ (3. Aufl.) setzt thermisches Rauschen die ultimative Empfindlichkeitsgrenze für 78% der Präzisionsmessanwendungen. Durch die Reduzierung der Temperatur von 300 K auf 77 K (flüssiger Stickstoff) wird die Rauschspannung um 49% reduziert.

Bearbeitetes Beispiel

Entwerfen Sie einen rauscharmen Vorverstärker für eine 10-kHm-Fotodiode mit einer Bandbreite von 100 kHz bei 25 °C (298 K). Berechnen Sie das thermische Rauschen und das erforderliche Verstärkerrauschen. Schritt 1: Widerstandsrauschen = sqrt (4 1,38e-23 298 10000 100000) = 4,05 uV RMS. Schritt 2: Bei einem 10-dB-SNR mit einem 40-uV-Signal muss das Rauschen insgesamt < 12,6 uV betragen. Schritt 3: Rauschbudget des Operationsverstärkers = sqrt (12,6^2 — 4,05^2) = 11,9 uV. Schritt 4: Wählen Sie einen Operationsverstärker mit en < 11,9 uV/sqrt (100 kHz) = 37,7 nV/sqrt (Hz). Der OPA827 (4 nV/sqrt (Hz)) oder der AD797 (0,9 nV/sqrt (Hz)) erfüllen beide diese Anforderung gemäß den Datenblättern von Texas Instruments und Analog Devices.

Praktische Tipps

  • ✓Geben Sie gemäß IEEE 1139-2008 das Rauschen bei einer Referenztemperatur von 290 K an, um einen konsistenten Vergleich zwischen Komponenten zu gewährleisten
  • ✓Verwenden Sie Parallelwiderstände, um thermisches Rauschen zu reduzieren — zwei parallel geschaltete Widerstände mit 2 kOhm erzeugen 71% des Rauschens einer Beziehung von 1 kOhm pro Quadratmeter (R)
  • ✓Wählen Sie rauscharme Operationsverstärker mit Eingangsrauschen < 5 nV/sqrt (Hz) für Quellenimpedanzen über 1 kOhm pro Analog Devices AN-940
  • ✓Berücksichtigen Sie die Kühlung kritischer Phasen: Flüssigstickstoff (77 K) reduziert das thermische Geräusch um den Faktor 1,94 im Vergleich zur Raumtemperatur

Häufige Fehler

  • ✗Ignorieren von thermischem Rauschen in hochohmigen Schaltungen — eine Quellenimpedanz von 1 Mohm erzeugt 128 nV/sqrt (Hz), wobei häufig das Operationsverstärkerrauschen dominiert
  • ✗Unter der Annahme, dass alle Geräuschquellen gleich sind, haben Wärme-, Schuss- und Flickerrauschen unterschiedliche spektrale Eigenschaften gemäß dem „Data Conversion Handbook“ von Kester
  • ✗Ohne Berücksichtigung der Temperatur: Der Betrieb bei 85 °C erhöht den Geräuschpegel um 7% im Vergleich zu einem Verhältnis von 25 °C pro Quadratmeter (T)
  • ✗Bandbreite übersehen: Die Halbierung der Bandbreite reduziert das RMS-Rauschen um den Faktor 1,41 (sqrt (2))

Häufig gestellte Fragen

Grundlegendes elektronisches Rauschen durch thermische Elektronenbewegung in Leitern, entdeckt 1928. Bei 290 K beträgt die spektrale Rauschleistungsdichte kT = 4,00e-21 W/Hz = -174 dBm/Hz. Dieser Grenzwert gilt für alle passiven Komponenten, unabhängig von ihrer Konstruktion — Kohlenstoff-, Metallfilm- und drahtgewickelte Widerstände erzeugen bei gleichem Widerstandswert alle das gleiche thermische Rauschen.
Die Rauschspannung wird als sqrt (T) skaliert: Eine Kühlung von 300 K auf 150 K reduziert die Rauschspannung um 29%. Durch den Kryobetrieb bei 4K wird eine 8,7-fache Geräuschreduzierung erreicht. Gemäß den IEEE MTT-S-Richtlinien verwenden Radioteleskope kryogene LNAs mit 4 bis 20 K, um äquivalente Geräuschtemperaturen unter 10 K zu erreichen. Dadurch können Signale erkannt werden, die 100x schwächer sind als bei Systemen mit Raumtemperatur.
Nein — gemäß dem thermodynamischen Gesetz tritt bei jeder Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (0K) thermisches Rauschen auf. Bei 4 K (flüssiges Helium) erzeugt ein Widerstand von 1 kOhm immer noch 0,26 nV/sqrt (Hz). Das Quantenlimit bei T->0 nähert sich den Nullpunktschwankungen von hf/2 pro Quantenelektrodynamik an, ungefähr 0,02 nV/sqrt (Hz) bei 1 GHz.

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