Thermische ruis

Definitie

Thermische ruis, ook wel Johnson-Nyquist ruis genoemd, is elektrische ruis die wordt veroorzaakt door de willekeurige thermische beweging van ladingsdragers in een geleider of weerstand. Het treedt onafhankelijk van externe spanningsbronnen op en is een fundamentele eigenschap van alle elektrische componenten bij temperaturen boven het absolute nulpunt.

Oorsprong

De constante thermische beweging van elektronen veroorzaakt kleine spanningsfluctuaties die gemeten kunnen worden als een ruissignaal. Hogere temperaturen leiden tot sterkere ruis.

Wiskundige beschrijving

De effectieve ruisspanning _VRMS over een weerstand R wordt beschreven door de volgende formule:

_VRMS=√_(4kB T R Δf)

_kB: Boltzmann constante (1,38 × ^10-23 J/K)
T: Temperatuur (Kelvin)
R: Weerstand (Ohm)
Δf: Frequentiebandbreedte (Hertz)

Eigenschappen

Breedband: Verspreid over een groot frequentiespectrum (witte ruis).
Temperatuursafhankelijk: Verhoging van de temperatuur verhoogt de ruis.
Onvermijdelijk: Maakt deel uit van de basiseigenschap van elektronische systemen.

Technisch belang

Thermische ruis stelt een fundamentele limiet aan de gevoeligheid van versterkers:

Versterkers
Sensoren
Radio-ontvangers
Medische apparaten (bijv. EEG, ECG)

Onderscheid van andere soorten ruis

Shot ruis: Ontstaat door discrete ladingstransporten.
1/f-ruis: Neemt toe bij lage frequenties.
Kwantificatieruis: Treedt op wanneer analoge signalen gedigitaliseerd worden.

Samenvatting

Thermische ruis is een onvermijdelijke, temperatuurafhankelijke vorm van elektrische ruis die de prestatiegrenzen van elektronische systemen bepaalt.