n t

عربــي

الضجيج الحراري: القوة غير المرئية في الإلكترونيات

في عالم الإلكترونيات، يشكل الضجيج عدوًا مستمرًا. إنه الإشارة غير المرغوب فيها التي يمكن أن تُفسد بياناتنا وتُقلل من أداء دوائرنا، بل وتجعلها غير قابلة للاستخدام. أحد أنواع الضجيج المنتشر هو **الضجيج الحراري**، المعروف أيضًا باسم **ضجيج جونسون-نيوكويست**. تستكشف هذه المقالة طبيعة الضجيج الحراري، متناولة أصوله ورموزه الشائعة وتأثيره على الأنظمة الإلكترونية.

فهم الضجيج الحراري:

الضجيج الحراري هو خاصية متأصلة في جميع الموصلات الكهربائية، ويرجع ذلك إلى الحركة العشوائية للإلكترونات داخلها. مع زيادة درجة الحرارة، تتحرك هذه الإلكترونات بشكل أسرع، مما ينتج عنه مجالات كهربائية متذبذبة. تُولد هذه التذبذبات إشارات كهربائية عشوائية، نُدركها على شكل ضجيج.

الخصائص الرئيسية:

الانتشار الواسع: يتواجد الضجيج الحراري في جميع المكونات الإلكترونية، بغض النظر عن تصميمها أو مادة تصنيعها.
الضجيج الأبيض: تكون كثافة طيفه ثابتة عبر جميع الترددات. هذا يعني أن لديه قوة متساوية في جميع الترددات، مما يجعله "أبيض" مثل الضوء الأبيض، الذي يحتوي على جميع ألوان الطيف.
نسبة مباشرة لدرجة الحرارة: تتناسب شدة الضجيج الحراري طرديًا مع درجة حرارة الموصل بالكلفن.
نسبة مباشرة لعرض النطاق الترددي: تزداد قوة الضجيج الحراري خطيًا مع عرض النطاق الترددي الذي يتم قياسه عليه.

الرموز الشائعة لقدرة الضجيج الحراري:

في الهندسة الكهربائية، غالبًا ما يتم تمثيل قدرة الضجيج الحراري بالرموز التالية:

kTB: وهذا هو التمثيل الأكثر شيوعًا، حيث:
- k هو ثابت بولتزمان (1.38 × 10^-23 J/K)
- T هي درجة الحرارة بالكلفن
- B هو عرض النطاق الترددي بالهرتز
N: غالبًا ما يُستخدم هذا الرمز لتمثيل **كثافة طيف القدرة الضجيجية**، وهي القدرة لكل وحدة عرض نطاق ترددي.

التأثير على الإلكترونيات:

يمكن أن يؤثر الضجيج الحراري بشكل كبير على أداء الأنظمة الإلكترونية:

تدهور الإشارة: يُدخل تذبذبات عشوائية يمكن أن تُخفي الإشارة المقصودة، مما يجعل من الصعب استخراج المعلومات القيمة.
حساسية النظام: تُقلل مستويات الضجيج الأعلى من حساسية الأجهزة الإلكترونية، مما يجعلها أكثر عرضة للتداخل.
كشف الحد الأدنى للإشارة: يُحدد الضجيج الحراري حدًا أساسيًا لأصغر إشارة يمكن اكتشافها بشكل موثوق به بواسطة نظام إلكتروني.

تقليل الضجيج الحراري:

على الرغم من أنه لا يمكن القضاء على الضجيج الحراري تمامًا، إلا أن هناك العديد من التقنيات التي يمكن أن تُقلل من تأثيره:

العمل عند درجة حرارة منخفضة: يُقلل تشغيل الأنظمة الإلكترونية عند درجات حرارة منخفضة من مستويات الضجيج الحراري.
التصفية ذات النطاق الضيق: يمكن استخدام مرشحات النطاق الضيق لتقليل كمية الضجيج التي تصل إلى الإشارة المطلوبة.
المكونات عالية الجودة: يمكن أن يُقلل اختيار المكونات ذات المقاومة الداخلية المنخفضة والبنية عالية الجودة من توليد الضجيج الحراري.
تقنيات معالجة الإشارة: يمكن أن تساعد تقنيات معالجة الإشارة المتقدمة، مثل إلغاء الضجيج والتوسط، في تصفية الضجيج الحراري.

الخلاصة:

الضجيج الحراري هو قيد أساسي في الأنظمة الإلكترونية لا يمكن تجاهله. فهم طبيعته وتأثيره على أداء الدوائر أمر بالغ الأهمية لتصميم الأجهزة الإلكترونية القوية والموثوقة. من خلال تنفيذ استراتيجيات التصميم المناسبة وتقنيات تخفيف الضجيج، يمكننا تقليل تأثيرات الضجيج الحراري وتحقيق أداء مثالي للنظام.

Test Your Knowledge

Thermal Noise Quiz

Instructions: Choose the best answer for each question.

1. What is the primary cause of thermal noise?

a) External electromagnetic interference b) Random motion of electrons in conductors c) Defects in electronic components d) Fluctuations in the power supply

Answer

b) Random motion of electrons in conductors

2. Which of these is NOT a characteristic of thermal noise?

a) It is ubiquitous in all electronic components. b) It has a constant power spectral density across all frequencies. c) It is inversely proportional to the temperature of the conductor. d) Its power increases linearly with the bandwidth.

Answer

c) It is inversely proportional to the temperature of the conductor.

3. What is the common symbol used to represent thermal noise power?

a) kTB b) Vrms c) SNR d) dBm

Answer

a) kTB

4. How does thermal noise affect the performance of electronic systems?

a) It enhances signal strength. b) It improves the accuracy of measurements. c) It degrades signal quality and reduces sensitivity. d) It increases the power consumption of the system.

Answer

c) It degrades signal quality and reduces sensitivity.

5. Which of these is NOT a technique to minimize thermal noise?

a) Operating electronic systems at lower temperatures b) Using narrowband filters to reduce noise bandwidth c) Employing high quality components with low internal resistance d) Increasing the power supply voltage to overcome noise

Answer

d) Increasing the power supply voltage to overcome noise

Thermal Noise Exercise

Task:

You are designing a sensitive amplifier for a low-power sensor operating at room temperature (25°C). The amplifier has a bandwidth of 10 kHz. Calculate the minimum thermal noise power that will be present in the amplifier's output.

Instructions:

Use the formula: kTB, where:
- k is Boltzmann's constant (1.38 × 10^-23 J/K)
- T is the absolute temperature in Kelvin (25°C + 273.15 = 298.15 K)
- B is the bandwidth in Hertz (10 kHz = 10,000 Hz)

Solution:

Exercice Correction

Thermal noise power = kTB = (1.38 × 10^-23 J/K) × (298.15 K) × (10,000 Hz) = 4.12 × 10^-17 Watts

Books

"Noise and Fluctuations" by D.A. Bell - A comprehensive treatise on noise in electronic systems, including thermal noise.
"Electronic Noise and Fluctuations" by A. van der Ziel - A classic text covering the fundamentals of noise, with dedicated sections on thermal noise.
"Analog Circuit Design: Art, Science, and Applications" by David A. Johns & Ken Martin - This book, while focused on analog circuit design, includes a chapter on noise and addresses thermal noise.

Articles

"Thermal Noise" by Wikipedia - A well-written overview of thermal noise, its properties, and applications.
"The Physics of Thermal Noise" by John S. Bendat - An article that delves deeper into the physical origins of thermal noise.
"Thermal Noise in Electronic Circuits" by Texas Instruments - A practical guide to understanding and mitigating thermal noise in electronic circuits.

Online Resources

Electronics Notes - A website offering several articles on thermal noise, including its calculation and impact on circuits.
All About Circuits - A website with a dedicated article on thermal noise, explaining its origin and common applications.
Wolfram MathWorld - A website containing detailed mathematical explanations and equations related to thermal noise.

Search Tips

Use specific keywords: "thermal noise," "Johnson-Nyquist noise," "noise figure," "noise power spectral density."
Combine keywords with other relevant terms: "thermal noise in amplifiers," "thermal noise in resistors," "thermal noise reduction techniques."
Use advanced search operators: "site:ieee.org" to limit your search to the IEEE website, "filetype:pdf" to find PDF articles.