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¿Por qué los circuitos superenfriados hacen que las señales sean más claras? ¡Descubriendo el misterio de la criogenia!
En el mundo de los dispositivos electrónicos, optimizar la claridad de la señal siempre ha sido una tarea crítica para los ingenieros. Uno de los puntos clave es utilizar tecnología criogénica para reducir el ruido y mejorar así la relación señal-ruido. En este artículo, exploraremos cómo funcionan los circuitos ultrafríos y por qué las señales pueden transmitirse con mayor claridad en un entorno tan limpio.
El llamado ruido Johnson-Nyquist es un ruido generado por el movimiento térmico de los electrones dentro de un conductor eléctrico, un fenómeno que ocurre automáticamente bajo cualquier voltaje aplicado.
Este tipo de ruido es omnipresente en todos los circuitos, pero lo es especialmente en equipos electrónicos sensibles como los receptores de radio, donde la presencia de ruido térmico puede ser suficiente para ahogar las señales débiles. Por lo tanto, para aumentar la sensibilidad de estos dispositivos, muchos componentes electrónicos sensibles (como los receptores de radiotelescopios) se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto para mejorar significativamente la relación señal-ruido.
¿Qué es el ruido térmico? El ruido térmico, también conocido como ruido de Johnson, es el ruido generado por el movimiento aleatorio de los electrones en un conductor eléctrico. En una resistencia ideal, las características y la intensidad de este ruido se describen mediante la siguiente fórmula:Vn² = 4kBTΔfR
Donde kB es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta, Δf es el ancho de banda y R es el valor de la resistencia. Esta fórmula muestra cómo el ruido térmico aumenta a medida que aumenta la temperatura, por lo que cuando la temperatura ambiente disminuye, el ruido térmico también disminuye, haciendo que la señal sea más clara.
¿Cómo mejora la criogenia la claridad de la señal?La electrónica refrigerada puede reducir significativamente los efectos del ruido térmico, haciendo que la señal sea más estable durante la recepción.
Durante el proceso de tratamiento a baja temperatura, el equipo puede lograr las siguientes ventajas:
Ruido térmico reducido: a bajas temperaturas, el movimiento térmico de los electrones se reduce y el ruido asociado a él también se reduce, lo que es particularmente importante en dispositivos electrónicos que realizan mediciones de alta sensibilidad.
Aumentar la sensibilidad de la señal: a medida que disminuye el ruido, la sensibilidad de la señal continúa aumentando y se pueden recibir señales más débiles.
Mejora la relación señal-ruido: la mejora de la relación señal-ruido hace que la señal sea más distinguible del ruido de fondo, mejorando así la calidad general de la comunicación.
Ejemplos de aplicación del ruido térmico a bajas temperaturas
Con la creciente aplicación de la tecnología criogénica, muchos campos científicos y tecnológicos de vanguardia han comenzado a utilizar esta tecnología para realizar mediciones de alta precisión. Un ejemplo notable es la medición de la constante de Boltzmann en 2017 realizada por el NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) utilizando la medición térmica de ruido de Johnson con una incertidumbre de menos de 3 ppm, que allanó el camino para la redefinición de la Nueva Fundación.
El núcleo de este trabajo de investigación es combinar la medición de voltaje con la tecnología de ruido térmico para lograr resultados de medición de alta precisión.
ConclusiónSe puede decir que la tecnología criogénica no solo tiene un impacto significativo en el rendimiento de los equipos electrónicos, sino que también mejora en gran medida la precisión de las mediciones científicas.
No se puede subestimar el papel de la tecnología criogénica en los dispositivos electrónicos. El desarrollo de esta tecnología no sólo mejora el rendimiento de los equipos de comunicación, sino que también proporciona un apoyo importante para mediciones científicas de alta precisión. A medida que se profundice la investigación sobre la tecnología criogénica, podemos esperar que surjan más aplicaciones innovadoras en el futuro. ¿Esto desencadenará una nueva revolución tecnológica?
