熱雑音の測定実験で、抵抗を大きくしても熱雑音が大きくならず困っています。

質問

スペクトラムアナライザを用いて、抵抗による熱雑音の測定をしていますが、抵抗の大きさを変えても熱雑音の大きさが変化しません。理由がわからず困っています。

【実験状況】
抵抗はすべて酸化皮膜抵抗で、50Ω　300Ω 3kΩ 1MΩの４種類の抵抗を使用しています。
回路としては同軸ケーブル(長さ1m）の片方の先っぽを剥いで、外側の網状になっている線（アース線？）と中心の線（信号線？）を抵抗で繋ぎ（半田付け）、その同軸ケーブルの反対側ををアンプ（NFのSA-220F5）につなぎ、アンプとスペアナを同軸ケーブル(長さ0.5m)でつないでいます。抵抗とアース線？をつないでいる部分をアースしています。
このときにスペクトラムアナライザに表示される雑音を見ています。
周波数は０Hz～１００MHzまでを見ています。
分解能帯域幅は300kHzです。
抵抗をつながない状態では-75dBm付近の雑音レベルで、抵抗をつなぐとすべての抵抗で-70dBm付近の雑音レベルになります。
熱雑音の計算値としては抵抗が大きくなると雑音レベルもあがると思うのですが、抵抗を変えも雑音レベルが変化しない理由がわかりません。
また熱雑音は白色雑音の一種だと思うのですが、どの抵抗の雑音も周波数が上がるにつれて若干ですが、直線的に右肩さがりになっていまいます。(0Hzと100MHzで差が3dBm程度）　その理由もわかりません。1/fノ雑音によるものなのでしょうか？

このことで二ヶ月悩んでいて非常に困っているので詳しい方いらっしゃいましたら、是非教えていただきたいです。よろしくお願いします。

回答No.4

imoriimori · ベストアンサー

（１）SA-220F5の入力換算雑音電圧は抵抗の熱雑音電圧に比べれば小さそうに見えますが、
入力換算雑音電流は、抵抗の熱雑音の電流換算に比べると十分小さいとは思われません。
入力回路の等価回路を書いて、各雑音の寄与を検討してみたらどうでしょうか。果たしてこのアンプで熱雑音を見ることができるのかどうか。

（２）上記寄与分検討と関係しますが、高周波域で低下する傾向というのは、SA-220F5の入力容量の57pFというのが関与しているのかもと思いました。高周波で入力インピーダンスが低下して、プリアンプが見る電圧は低下するでしょうから。

（３）抵抗無しと有りで5dBm（dBmって電力で、電圧に換算するときはインピーダンスがわからないとできないですが、これも何を見ているのかは気になるところ、それはさておき）くらい抵抗なしが良い→もしかして同軸先端の抵抗の小さなループが電磁誘導を拾っているとか？外乱は十分排除していますか？電磁シールドの箱の中で見るとか。

お礼

ご回答ありがとうございます。
（１）
＞入力回路の等価回路を書いて、各雑音の寄与を検討してみたらどうでしょうか。

入力回路とはいったいどういうものなのでしょうか？出力回路とはどう違うのでしょうか？
このアンプについてはFETを用いているということ以外何もわからないので一体どうやって書けばいいのでしょうか。。
自分でももう一度勉強してみますが、もしご存じでしたらお教えいただけると助かります。

（２）
アンプの周波数特性を測定してみようと思います。

（３）
特に電磁波対策はしていませんが、全ての周波数で一様に上がっているので、外部からの電磁波の影響では無いと考えています。

回答No.5

shippo_ppk

> となり、ショット雑音の方が１０倍ほど大きくなってしまったのですが、雑音への寄与は微小とはどういう意味なのでしょうか？

ショット雑音は、ＰＮ接合を持つ素子や真空管などに発生するノイズです。これは障壁を越える電子数の揺らぎ、陰極から発射される電子数の揺らぎです。
抵抗に電流を流しても、ランダムに運動する無数の電子に、ちょっと方向性を与えているだけです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
ショット雑音は電流を流したらいつでも発生するというわけではないのですね。
勘違いをしていました。ありがとうございました。

回答No.3

shippo_ppk

ANo2
>えっと、まず、抵抗の熱雑音ってのは、マクロ的に見れば、抵抗に定常電流が流れているときしか発生しません。

抵抗に電流を供給しなくても熱雑音は発生しています。電流を供給しても温度上昇の効果を除けば、雑音への寄与は微小です。

お礼

ご回答ありがとうございます。
＞電流を供給しても温度上昇の効果を除けば、雑音への寄与は微小です。

V^2（ショット雑音）＝2eIR^2
V^2（ジョンソン雑音）＝4kTR
として
室温T=３００K　電流I=５ｍA 　抵抗R=１００Ω
で計算したところ
V^2（ショット雑音）＝1.0*10^-17
V^2（ジョンソン雑音）＝1.3*10^-18
となり、ショット雑音の方が１０倍ほど大きくなってしまったのですが、雑音への寄与は微小とはどういう意味なのでしょうか？

すいません、全く素人なもので検討違いなことをしていたら訂正していただけると、大変助かります。

回答No.2

rabbit_cat

突っ込みどころ満載な感じですが。。

えっと、まず、抵抗の熱雑音ってのは、マクロ的に見れば、抵抗に定常電流が流れているときしか発生しません。さもないと、例えば、抵抗の両端を電線でショートさせると、抵抗の熱雑音で電流i流れてRi^2の熱が発生して、電池もつないでないのに抵抗が独りでに暖まってく（永久機関！？）なんてことになってしまします。
ご質問の実験は、つまり、こういうことになってますね。

それから、スペアナには入力インピーダンスてなものがあるんですが、そのことを考えていますか？
抵抗Rの熱雑音で、E = √(4kTRf)
ていう電圧が発生したとして、スペアナの入力インピーダンスもちょうどRだとするなら、スペアナで観測される雑音の電力は、
P = E^2/(2R) = kTf
となってRには依存しません。実際には、つないだ抵抗と、入力インピーダンスが違う場合には、スペアナで観測される雑音の電力は減ります。

＞抵抗をつながない状態では-75dBm
てのは、つまり、スペアナの入力をオープンにしたとき、ってことですよね？
なんていうか、スペアナていうのは、基本的には、インピーダンスマッチングをとった状態で測るものなんです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
困っていたので大変助かりました。
入力インピーダンスという考え方をいまいち理解していませんでした。
もうひとつ疑問なのですが、入力インピーダンス５０Ωのスペアナを使っていますが、測定している電力はスペアナの中に５０Ωの抵抗が繋がれていて、そこで発生している電力を測定していると考えれば良いのでしょうか？
何度も質問して申し訳ありません。よろしくお願いします。

回答No.1

gn_drive

たぶんあなたが見ているのはスペアナの入力雑音では？そのレベルなのですか？熱雑音レベルはそのよりもっと低いレベルではないかと思います。

あなたのスペアナのSpecが分かりませんが、この周波数でスペアナの分解能で雑音を見るのは難しいかと思います。
マイクロ波帯やミリ波帯でDicke型のradiometerレベルでないと難しいのではと思います。

「Dicke　radiometer」でググッてみたら、以下に詳しく書いてましたのでご参考。

http://www.millitech.com/pdfs/Radiometer.pdf

参考URL：

http://www.millitech.com/pdfs/Radiometer.pdf

お礼

ご回答ありがとうございます。
抵抗を接続すると雑音レベルが上がるので一応計れているとはおもうのですが、、
紹介していただいたURLも覗いてみようと思います。