E9 Elektronisches Rauschen

Thema

Elektronisches Rauschen ist die zufällige und unvermeidbare Schwankung von Spannung oder Strom in jedem realen Stromkreis und begrenzt letztendlich das schwächste Signal, das ein System zuverlässig erfassen kann. Thermisches Rauschen tritt in allen Widerständen bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt auf und entsteht durch die spontane thermische Bewegung der Ladungsträger im Material. Es ist unabhängig vom Stromfluss und der betrachteten Frequenz – es ist „weiß“, also über das gesamte Spektrum gleich intensiv – und nimmt mit Temperatur und Widerstand zu. Schrotrauschen entsteht aus einem anderen Grund: Elektrischer Strom ist kein kontinuierlicher Fluss, sondern eine Prozession diskreter Ladungsträger, die nacheinander eine Potentialbarriere überwinden, wie sie im ersten Modell dieses Katalogs beschrieben ist. Auch Schrotrauschen hat ein weißes Spektrum, und seine Intensität nimmt mit dem mittleren Strom zu. Bei niedrigen Frequenzen dominiert das Flickerrauschen, verursacht durch mikroskopische Defekte und Unvollkommenheiten im Material, dessen Intensität mit sinkender Frequenz zunimmt. Die Rauschzahl eines Systems quantifiziert, wie viel zusätzliches Rauschen dieses System im Vergleich zum theoretischen Minimum erzeugt. Wenn mehrere Stufen kaskadiert werden, wie in einem Radioempfänger, tritt ein unerwarteter Effekt ein: Die erste Stufe der Kette dominiert das Rauschmaß des gesamten Systems maßgeblich, da das von ihr erzeugte Rauschen von allen nachfolgenden Stufen in gleicher Weise verstärkt wird wie das Nutzsignal.

Deshalb erklärt dieses Modul, das mit drei Rauschquellen unterschiedlicher physikalischer Herkunft beginnt, am Ende, warum der erste Verstärker in jedem empfindlichen Empfänger besonders sorgfältig auf die Minimierung seines Eigenrauschens ausgelegt ist: nicht weil er die wichtigste Stufe zur Signalverstärkung ist, sondern weil er die einzige Stufe ist, deren Rauschen durch keine nachfolgende Schaltung korrigiert werden kann.

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