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由于放大器本身有噪声,输出端的信噪比和输入端信噪比是不一样的,为此,使用噪声系数来衡量放大器本身的噪声水平。该系数表征放大器的噪声性能恶化程度的一个参量,并不是越大越好,它的值越大,说明在传输过程中掺入的噪声也就越大,反映了器件或者信道特性的不理想。
在一些部件和系统中,噪声对它们性能的影响主要表现于信号与噪声的相对大小,即信号噪声功率比上。就以收音机和电视机来说,若输出端的信噪比越大,声音就越清楚,图像就越清晰。因此,希望有这样的电路和系统:当有用信号和输入端的噪声通过它们时,此系统不引入附加的噪声。这意味着输出端与输入端具有相同的信噪比。实际上,由于电路或系统内部总有附加噪声,信噪比不可能不变。我们希望输出端信噪比的下降应尽可能小。
1.选用低噪声元、器件
在放大或其他电路中,电子元、器件的内部噪声起着重要作用。因此,改进电子元、器件的噪声性能和选用低噪声的电子元、器件,就能大大降低电路的噪声系数。
对晶体管而言,应选用rb(rbb’)和噪声系数NF小的管子(可由手册查得,但NF必须是高频工作时的数值)。除采用晶体管外,还广泛采用场效应晶体管做放大器和混频器,因为场效应晶体管的噪声电平低,尤其是最近发展起来的砷化镓金属半导体场效应晶体管(MESFET),它的噪声系数可低到0.5~1dB。
在电路中,还必须谨慎地选用其他能引起噪声的电路元件,其中最主要的是电阻元件,宜选用结构精细的金属膜电阻。
2.正确选择晶体管放大级的静态工作点
图10.3.4为某晶体管的NF与IEQ的变化曲线。从图中可以看出,对于一定的信号源内阻RS,存在着一个使NF最小的最佳电流IEQ值。因为IEQ改变时,直接影响晶体管的参数。当参数为某一值,满足最佳条件时,可使NF达到最小值。如IEQ太小,晶体管功率增益太低,使NF上升;如IEQ太大,又由于晶体管的散粒和分配噪声增加,也使NF上升。所以IEQ为某一值时,NF可以达到最小。从图10.3.4中还可看出,对于不同的信号源内阻RS,最佳的IEQ也不同图10.3.4晶体管的NF与IEQ的关系曲线
当然,NF还分别与晶体管的VCBQ和CCEQ有关,但通常VCBQ和CCEQ对NF的影响不大。电压低时,NF略有下降。
3.选择合适的信号源内阻RS
信号源内阻RS变化时,也影响NF的大小。当RS为某一最佳值时,NF可达到最小。晶体管共发射极和共基极电路在高频工作时,这个最佳内阻为几十到几百欧(当频率更高时,此值更小)。在较低频率范围内,这个最佳内阻为500~2000Ω,此时最佳内阻和共发射极放大器的输入电阻接近。因此,可以用共发射极放大器使获得最小噪声系数NF的同时,也能获得最大功率增益。在较高频工作时,最佳内阻和共基极放大器的输入电阻接近,因此,可用共基极放大器,使最佳内阻值与输入电阻相等,这样就同时获得最小噪声系数和最大功率增益。
4.选择合适的工作带宽
根据上面的讨论,噪声电压都与通带宽度有关。接收机或放大器的带宽增大时,接收机或放大器的各种内部噪声也增大。因此,必须严格选择接收机或放大器的带宽,使之既不过窄,以能满足信号通过时对失真的要求,又不致过宽,以免信噪比下降。
5.选用合适的放大电路
共发射极一共基极级联的放大器、共源极一共栅极级联的放大器都是优良的高稳定和低噪声电路。
6.热噪声
热噪声是内部噪声的主要来源之一,所以降低放大器,特别是接收机前端主要器件的工作温度,对减小噪声系数是有意义的。对灵敏度要求特别高的设备来说,降低噪声温度是一个重要措施。例如,卫星地面站接收机中常用的高频放大器就采用“冷参放”(制冷至20~80K的参量放大器)。其他器件组成的放大器制冷后,噪声系数也有明显的降低。 2100433B
公式表示为:噪声系数NF=输入端信噪比/输出端信噪比,单位常用“dB”。
在放大器的噪声系数比较低的情况下,通常放大器的噪声系数用噪声温度(T)来表示。
放大电路不仅把输入端的噪声放大,而且放大电路本身也存在噪声。所以,其输出端的信噪比必小于输入端信噪比。在放大器中,内部噪声与外部噪声愈小愈好。放大电路本身噪声越大,它的输出端信噪比越小于输入端信噪比,NF就越大。
噪声系数与噪声温度的关系为:T=(NF-1)T0 或 NF=T/T0 1 其中:T0-绝对温度(290K)。
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噪声系数F表征二端口网络对信噪比影响的情况。对于一个无噪声的理想放大器,F=1;而对于具有内部噪声源的实际放大器,F>1。F越大,说明放大器内部噪声越严重,放大器导致的信噪比恶化程度越严重。
设由源电阻RS的噪声经无噪声二端口放大后的输出噪声功率为PRS,见图3-19;实际二端口输入端连接到一个无噪声的电阻RS时的输出噪声功率为PTP,PTP纯属二端口的噪声贡献。则式可表示为
由上式可见,如果人为地增加信号源的电阻,则其热噪声增加,PRS也会增加,噪声系数会降低,尽管输出噪声功率已增加。这说明,噪声系数只是提供了由二端口产生的噪声和信号源噪声之间的比较,而不是对二端口噪声的绝对估计值。
此外,噪声系数还具有下列特点:
(1)此参数不包括负载对输出噪声的贡献。
(2)噪声系数密切依赖于信号源的内阻。
(3)无噪声二端口的噪声系数为1。
(4)一个含噪声二端口总是会将其自身噪声添加到信号源的噪声,这种贡献可用(F-1)来估计。换言之,噪声系数总大于1。
(5)如果没有信号源内部阻抗的信息,噪声系数的概念是没有意义的。
(6)相对于S/N,噪声系数更便利于测量和计算,因为没有必要知道信号的振幅。此外,由噪声系数的表达式可推导m信号源电阻的最优值,而对于S/N,信号源电阻最优值是零。
上述结论说明,为什么许多人仍然认为降低噪声系数是低噪声设计的主要目标,尽管有证据表明,在任何通信链路或传感器一放大器系统中,更为重要的是信噪比S/N而不是噪声系数。
噪声系数的定义涉及下列几个限制:
(1)如果信号源的内部阻抗是纯电抗,它无噪声,由此导致噪声系数变为无穷大。
(2)当二端口添加的噪声与源噪声相比可忽略时,噪声系数是两个几乎相等的量的比值。这可能会导致不可接受的误差。
(3)噪声系数的值取决于信号频率、偏压、温度以及信号源阻抗。如果这些条件不同.比较两个噪声系数是毫无意义的。
(4)噪声系数被定义在标准参考温度(290K),只有使用相同的参考温度,它才是有意义的。因此,它不像噪声温度那么通用,噪声温度只要求噪声功率必须是已知的,而对温度没有任何限制。
此外,噪声系数只适用于线性电路,对于非线性电路,即使电路内部没有任何噪声源,其输出端的信噪比也与输入端不同,噪声系数的概念不再适用。
甚低频低噪声放大器噪声系数测量
使用晶体管多管组合构成甚低频低噪声放大器可以获得较低的噪声系数,在深水无线电接收中有重要应用。这种放大器噪声电压约为3nv/sqrt(Hz),其指标已经远小于常用的频谱分析仪灵敏度指标,难以实现直接测量。正是由于其特殊性,甚低频低噪声放大器噪声系数的测量方案必须重新设计。论文详细讨论了影响低噪声放大器噪声系数测量的各种因素,包括阻抗匹配、射频信号发生器的背景干扰等因素,提出了完整的测量方案及实施步骤。
700MHz声光器件的“噪声系数”测量
该文介绍了声光器件的工作原理,研究了在相同输入功率下得到的声光衍射功率值;实验以700 MHz声光器件进行测试,得到实验数据。通过实验数据分析得到声光器件具有一定的噪声抑制能力(实验测试计算的噪声系数NF<1),为声光器件在信号处理中的性能设计提供了实验依据。
用于测量放大器、混频器以及接收机等线性和准线性网络噪声系数的仪器。
频率范围:10MHz~26.5GHz,温度稳定性: ±6ppm,噪声系数测量的不确定度: <±0.05dB(10MHz~ 3GHz),<±0.15dB(3G ~6.7G),测量 带宽: 100 KHz、200 KHz、400KHz,1 MHz、2 MHz、4MH。
用于对通信系统的接收机、 LNA、中频、混频等进行精确的噪声系数测试,应具有频率范围宽、不确定度小、 精度高、 速度快等特 点。 2100433B