带宽
约翰逊噪声在很宽的频率范围内呈均匀分布,所以减小噪声带宽能够有效地降低测量中的噪声。注意,噪声带宽不必与信号带宽相同。高频噪声介质频率点大约等于以下各数值中的最小者:
* л/2乘以模拟直流测量电路的3dB频率上限值。
* ,其中, 为仪器的10%到90%上升时间。
* 1Hz,如果使用模拟面板表来读数则使用此值。
* 0.314/tINT,其中,tINT为数字仪器中A/D变换器的积分时间。
在高阻电路中,噪声带宽常常受到源电阻和输入电容的时间常数的限制。这个数值为上述各种噪声带宽计算结果中的最小者。在这种情况下,噪声带宽为:
其中,REFFECTIVE 为源电阻与测量设备输入电阻的并联,CIN为与仪器输入端并联的所有电容(输入电容、电缆电容等)之和。注意,此分析假定,该电路为具有一个主导时间常数的简单一阶系统。
为了降低噪声,可以采用在很长的时间内用目测平均模拟仪表读数的方法,或者用计算机或内部数字滤波器平均多个数字读数的方法,来减小带宽(B)。在读出设备之前采用低通滤波器也可以减小带宽。减小带宽时有一个实际的限制,如果测量时间太长,测量就容易受到时间和温度漂移等其它误差的影响。
温度
将信号源的温度从室温降低到-270℃(3K),可以将噪声电压降低10倍。同样,将信号源的温度从室温降低到液氮的温度(77K),可以将噪声电压降低一半。在某些应用中,不方便的、昂贵的低温工作需求是正当的、可行的。但是,大多数的实验则是设计工作在一定的温度范围之内,这也决定了可以预期的源噪声水平。
源电阻
讨论了带宽和温度以后,决定系统噪声的另一个因素就是等效源电阻。等效源电阻包括被测设备和测量仪器两个方面。为了降低噪声,改变源电阻通常是不实际的。然而,如果可以改变源电阻的话,公式表明,要降低电压噪声应当减小R,而要降低电流噪声应当加大R。
在电压测量中,电压源的电阻是与电压表的输入电阻并联的(见图2-1)。输入电阻通常要比源电阻大很多。所以源电阻的数值通常决定了约翰逊噪声电压的大小。
在电流测量中,源电阻和取样电路电阻都会产生噪声。有效电阻为源电阻和反馈(或分流)取样电阻的并联组合。反馈安培计反馈回路中的取样电阻阻值高,其约翰逊电流噪声就比较低,从而比分流电阻值低的安培计的灵敏度更高。
过量电流噪声
电阻器的约翰逊噪声只与电阻值、温度和带宽有关。当电流流过电阻器时,其噪声比计算出的约翰逊噪声还要高。这种增加的噪声常常称为“过量电流噪声(Excess Current Noise)”。线绕电阻器接近理想情况,其增加的噪声可以忽略。而金属膜电阻器的噪声就要大一些,碳合成电阻器的噪声则会更大。在所有这些情况下,此过量电流噪声都直接正比于流过电阻器的电流。