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Pourquoi les circuits sur-refroidis rendent les signaux plus clairs ? Découvrir le mystère de la cryogénie !
Dans le monde des appareils électroniques, l'optimisation de la clarté du signal a toujours été une tâche importante pour les ingénieurs. Une clé importante consiste à utiliser une technologie à basse température pour réduire le bruit et ainsi améliorer le rapport signal/bruit du signal. Dans cet article, nous explorerons le fonctionnement des circuits ultra-froids et pourquoi les signaux sont transmis avec une plus grande clarté dans un environnement aussi propre.
Le soi-disant « bruit Johnson-Nyquist » est un bruit provoqué par le mouvement thermique des électrons dans les conducteurs électriques, et ce phénomène se produit automatiquement sous toute tension appliquée.
Ce type de bruit est omniprésent dans tous les circuits, en particulier dans les équipements électroniques sensibles tels que les récepteurs radio, où la présence de bruit thermique suffit à étouffer les signaux faibles. Par conséquent, pour augmenter la sensibilité de ces appareils, de nombreux composants électroniques sensibles (tels que les récepteurs de radiotélescopes) sont refroidis à de basses températures proches du zéro absolu pour améliorer considérablement le rapport signal/bruit du signal.
Qu'est-ce que le bruit thermique ?
Le bruit thermique, également connu sous le nom de bruit de Johnson, est un bruit provoqué par le mouvement aléatoire des électrons dans les conducteurs électriques. Dans une résistance idéale, les caractéristiques et l'intensité de ce bruit sont décrites par la formule suivante :
Vn² = 4kBTΔfR
Parmi eux, kB est la constante de Boltzmann, T est la température absolue, Δf est la bande passante et R est la valeur de la résistance. Cette formule montre comment le bruit thermique augmente à mesure que la température augmente. C'est pourquoi lorsque la température ambiante diminue, le bruit thermique diminue également, rendant ainsi le signal plus clair.
L'électronique refroidie peut réduire considérablement les effets du bruit thermique, rendant les signaux plus stables pendant la réception.
Comment la technologie cryogénique améliore-t-elle la clarté du signal ?
Pendant le processus de traitement à basse température, l'équipement peut offrir les avantages suivants :
Réduire le bruit thermique : à basses températures, le mouvement thermique des électrons est réduit, ainsi que le bruit associé, ce qui est particulièrement important pour les équipements électroniques qui effectuent des mesures à haute sensibilité.
Améliorer la sensibilité du signal : à mesure que le bruit diminue, la sensibilité du signal continue d'augmenter et des signaux plus faibles peuvent être reçus.
Améliorer le rapport signal/bruit du signal : l'amélioration du rapport signal/bruit améliore la résolution du signal et du bruit de fond, améliorant ainsi la qualité globale de la communication.
Cas d'application du bruit thermique à basse température
À mesure que la technologie cryogénique devient de plus en plus largement utilisée, de nombreux domaines scientifiques et technologiques de pointe commencent à utiliser cette technologie pour des mesures de haute précision. L'un des cas les plus médiatisés est celui où le NIST (National Institute of Standards and Technology) a mesuré la constante de Boltzmann en 2017 à l'aide de la méthode de mesure thermique du bruit Johnson avec une incertitude inférieure à 3 ppm, développée pour la redéfinition de la nouvelle fondation.
Le cœur de ce travail de recherche consiste à combiner la mesure de tension avec la technologie du bruit thermique pour obtenir des résultats de mesure de haute précision.
On peut dire que la technologie à basse température a non seulement un impact significatif sur les performances des équipements électroniques, mais améliore également considérablement la précision des mesures scientifiques.
Conclusion
Le rôle de la technologie cryogénique dans les équipements électroniques ne peut être sous-estimé. Le développement de cette technologie améliore non seulement les performances des équipements de communication, mais constitue également un support important pour les mesures scientifiques de haute précision. Avec l’approfondissement de la recherche sur les technologies à basse température, nous pouvons nous attendre à ce que davantage d’applications révolutionnaires apparaissent à l’avenir. Cela déclenchera-t-il une nouvelle révolution technologique ?
