[科普中国]-噪声系数

为了衡量某一线性电路(如放大器)或一系统(如接收机)的噪声特性，通常需要引入一个衡量电路或系统内部噪声大小的量度。有了这种量度就可以比较不同电路噪声性能的好坏，也可以据此进行测量。广泛使用的一个噪声量度称作噪声系数。

简介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

放大电路噪声指标公式表示为：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。2

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）。

噪声系数特点噪声系数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。3

减小噪声的措施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。4

本词条内容贡献者为:

方正 - 副教授 - 江南大学