Nanovolt

Ein Nanovolt (nV) ist ein Milliardstel einer Spannung, oder 10⁻⁹ V. In dieser Größenordnung misst man elektrische Spannungsdifferenzen, die so klein sind, dass sie unangenehm nahe am thermischen Rauschpegel der meisten elektronischen Schaltungen liegen. Ein einzelnes Nanovolt stellt die Art von Signal dar, das an der Grenze zwischen echter Messung und Messinstrument-Artefakt existiert, und genau deshalb spielt es in der Präzisions-Metrologie eine Rolle.

Nanovolt-Messungen entstehen in wenigen spezifischen Bereichen. Temperaturmessung mittels Thermoelement, besonders in Hochpräzisions-Anwendungen, wo Auflösung im Milligrad-Bereich erforderlich ist, erzeugt Signale im Mikrovolt-Bereich, die mit Nanovolt-Empfindlichkeit ausgelesen werden müssen, um keine Auflösung zu verlieren. Die Messung sehr niedriger Widerstände (Milliohm und darunter) erfordert Nanovolt-Auflösung, weil kleine strominduzierte Spannungsabfälle von Offset- und Drift-Fehlern im Messsystem selbst getrennt werden müssen. Hall-Effekt-Sensoren und Magnetfeldmessungen unter Laborbedingungen erzeugen ebenfalls Signale im Nanovolt-Bereich.

Das Rausch-Problem

Ein Nanovolt zuverlässig zu messen ist nicht eine Sache des Anschlusses eines Voltmeters. Das thermische Rauschen in einem 1-Megaohm-Widerstand bei Raumtemperatur liegt in der Größenordnung von 130 Nanovolt pro Quadratwurzel Hertz Bandbreite. Ein digitales Voltmeter mit 1 Sekunde Integrationszeit über 1 Hz Bandbreite wird Mühe haben, ein Signal viel kleiner als dies aufzulösen. Messschaltungen, die mit Nanovolt-Empfindlichkeit arbeiten, erfordern sorgfältige Aufmerksamkeit bezüglich Quellenimpedanz, Abschirmung, Filterung, Eingangs-Verstärkerverstärkung und Drift sowie thermische Stabilität des Messapparats selbst.

Instrumente, die Nanovolt-Auflösung beanspruchen, verwenden typischerweise rauscharme Verstärker, oft Chopper-stabilisiert oder Instrumentenverstärker mit eingangsreferenzierten Rausch-Spezifikationen unter 50 nV pro Quadratwurzel Hertz. Die Messung muss auch Offset-Spannungs-Drift über Zeit und Temperatur berücksichtigen, was in gewöhnlichen Op-Amps leicht mehrere Nanovolt pro Grad Celsius übersteigen kann. Präzisions-Referenzen, abgeschirmte Schaltungen und teilweise Kryogen-Betrieb werden eingesetzt, um dieses Niveau zuverlässig zu erreichen.

Das Nanovolt liegt deutlich unter dem Mikrovolt-Bereich (10⁻⁶ V), der in Audio- und Sensor-Arbeiten üblich ist, und weit unter der Millivolt-Skala alltäglicher elektronischer Schaltungen. In der Praxis ist das Erreichen echter Nanovolt-Messwiederholbarkeit über Stunden oder Tage hinweg ein spezialisiertes Unterfangen, das sich auf Kalibrierungslabore, Forschungsumgebungen und kritische industrielle Prozessregelung beschränkt, wo die Investition in Stabilisierung und Abschirmung durch die Anwendung gerechtfertigt ist.