Lämpökohina

Lämpökohina on ilmiö, jonka vaikutuksesta sähköjohtimessa tai resistanssissa kulkevassa virrassa tapahtuu satunnaisvaihtelua. Tätä satunnaisvaihtelua kutsutaan lämpökohinaksi ja sitä voidaan kuvata kohinajännitteellä tai kohinavirralla. Lämpökohina aiheutuu johteessa olevien vapaiden varauksenkuljettajien satunnaisesta lämpöliikkeestä ja sen voimakkuus riippuu materiaalin lämpötilasta.

Kohinajännite

Lämpöliikkeestä johtuvat satunnaisvaihtelut aiheuttavat resistanssissa R lähdejännitteen, jonka tehollisarvo on ^[1]

${\displaystyle V_{n}={\sqrt {4k_{B}TRB}},}$

missä ${\displaystyle \ k_{B}}$ on Boltzmannin vakio, T on lämpötila [ K ], ja B on mittauksen kaistaleveys [ Hz ].

Esimerkiksi 1 MΩ vastus synnyttää 10 kHz kaistalla tehollisarvoltaan 13 μV suuruisen kohinajännitteen, joka voidaan mallintaa kohinattoman resistanssin kanssa sarjassa olevalla jännitelähteellä.

Kohinavirta

Lämpökohinaa voidaan yhtä hyvin kuvata myös kohinavirralla, jonka suuruus on

${\displaystyle I_{n}={\sqrt {{4k_{B}TB} \over R}}}$

Tätä voidaan mallintaa kohinattoman resistanssin rinnalle kytketyllä virtageneraattorilla.

Kohina korrelaatiofunktioiden avulla

Tähän artikkeliin tai osioon ei ole merkitty lähteitä, joten tiedot kannattaa tarkistaa muista tietolähteistä. Voit auttaa Wikipediaa lisäämällä artikkeliin tarkistettavissa olevia lähteitä ja merkitsemällä ne ohjeen mukaan.

Kohinan suuruutta voidaan kuvata virran autokorrelaatiofunktiolla. Se määritellään:

${\displaystyle S_{I}(t-t')=2(\langle I(t)I(t')\rangle -\langle I\rangle ^{2})}$,

missä ${\displaystyle \langle \rangle }$ kuvaa keskiarvostusta satunnaisten prosessien yli. Tätä autokorrelaatiofunktiota voi jossain määrin pitää eri ajanhetkinä esiintyvien virtojen varianssina.

Yleisesti kohinaa kuvataan aika-avaruuden sijaan taajuusavaruudessa eli taajuuden f funktiona. Taajuusriippumatonta kohinaa kutsutaan valkoiseksi kohinaksi, ja taajuusriippuvaa kohinaa vastaavasti värilliseksi kohinaksi. Tasapainotilanteessa kohinaa voidaan kuvata fluktuaatio-dissipaatioteoreeman avulla. Sen mukaan matalataajuisen kohinan suuruus saadaan suoraan johteen impedanssista Z(f):

${\displaystyle S_{I}(f=0)={\frac {4k_{B}T}{{\rm {Re}}[Z(f)]}}}$

Tämä matalataajuinen kohina on termistä kohinaa eli lämpökohinaa. Kohina on olennaisesti termistä kun taajuutta f vastaava energia (joka saadaan kertomalla f Planckin vakiolla) on huomattavasti pienempää kuin lämpötilaa T vastaava energia, k_B T, missä k_B on Boltzmannin vakio, ja T ilmaistaan Kelvin-asteikolla. Esimerkiksi 1 K (–272 °C) vastaava taajuus on noin 21 GHz.

Muita kohinamuotoja ovat mm.

• Kvanttikohina eli vakuumikohina eli nollapistefluktuaatiot
• Raekohina
• 1/f-kohina (engl. "flicker noise")

Lähteet