為了衡量某一線性電路(如放大器)或一系統(如接收機)的噪聲特性，通常需要引入一個衡量電路或系統內部噪聲大小的量度。有了這種量度就可以比較不同電路噪聲性能的好壞，也可以據此進行測量。廣泛使用的一個噪聲量度稱作噪聲係數。
基本介紹
- 中文名：噪聲係數
- 外文名：Noise Factor
- 公式表示：輸入端信噪比/輸出端信噪比
- 常用單位：dB
- 影響因素：信號源內阻、工作頻寬等
- 性質：放大器的噪聲性能的一個參量
簡介,放大電路噪聲指標,噪聲係數特點,減小噪聲的措施,
簡介
由於放大器本身有噪聲，輸出端的信噪比和輸入端信噪比是不一樣的，為此，使用噪聲係數來衡量放大器本身的噪聲水平。該係數表征放大器的噪聲性能惡化程度的一個參量，並不是越大越好，它的值越大，說明在傳輸過程中摻入的噪聲也就越大，反映了器件或者信道特性的不理想。
在一些部件和系統中，噪聲對它們性能的影響主要表現於信號與噪聲的相對大小，即信號噪聲功率比上。就以收音機和電視機來說，若輸出端的信噪比越大，聲音就越清楚，圖像就越清晰。因此，希望有這樣的電路和系統：當有用信號和輸入端的噪聲通過它們時，此系統不引入附加的噪聲。這意味著輸出端與輸入端具有相同的信噪比。實際上，由於電路或系統內部總有附加噪聲，信噪比不可能不變。我們希望輸出端信噪比的下降應儘可能小。
放大電路噪聲指標
公式表示為：噪聲係數NF=輸入端信噪比/輸出端信噪比，單位常用“dB”。
在放大器的噪聲係數比較低的情況下，通常放大器的噪聲係數用噪聲溫度（T）來表示。
放大電路不僅把輸入端的噪聲放大，而且放大電路本身也存在噪聲。所以，其輸出端的信噪比必小於輸入端信噪比。在放大器中，內部噪聲與外部噪聲愈小愈好。放大電路本身噪聲越大，它的輸出端信噪比越小於輸入端信噪比，NF就越大。
噪聲係數與噪聲溫度的關係為：T=（NF-1）T0 或 NF=T/T0+1 其中：T0-絕對溫度（290K）。
噪聲係數特點
噪聲係數F表征二連線埠網路對信噪比影響的情況。對於一個無噪聲的理想放大器，F=1；而對於具有內部噪聲源的實際放大器，F>1。F越大，說明放大器內部噪聲越嚴重，放大器導致的信噪比惡化程度越嚴重。
圖3-19
圖3-19設由源電阻RS的噪聲經無噪聲二連線埠放大後的輸出噪聲功率為PRS，見圖3-19；實際二連線埠輸入端連線到一個無噪聲的電阻RS時的輸出噪聲功率為PTP，PTP純屬二連線埠的噪聲貢獻。則式可表示為
由上式可見，如果人為地增加信號源的電阻，則其熱噪聲增加，PRS也會增加，噪聲係數會降低，儘管輸出噪聲功率已增加。這說明，噪聲係數只是提供了由二連線埠產生的噪聲和信號源噪聲之間的比較，而不是對二連線埠噪聲的絕對估計值。
此外，噪聲係數還具有下列特點：
(1)此參數不包括負載對輸出噪聲的貢獻。
(2)噪聲係數密切依賴於信號源的內阻。
(3)無噪聲二連線埠的噪聲係數為1。
(4)一個含噪聲二連線埠總是會將其自身噪聲添加到信號源的噪聲，這種貢獻可用(F-1)來估計。換言之，噪聲係數總大於1。
(5)如果沒有信號源內部阻抗的信息，噪聲係數的概念是沒有意義的。
(6)相對於S/N，噪聲係數更便利於測量和計算，因為沒有必要知道信號的振幅。此外，由噪聲係數的表達式可推導m信號源電阻的最優值，而對於S/N，信號源電阻最優值是零。
上述結論說明，為什麼許多人仍然認為降低噪聲係數是低噪聲設計的主要目標，儘管有證據表明，在任何通信鏈路或感測器一放大器系統中，更為重要的是信噪比S/N而不是噪聲係數。
噪聲係數的定義涉及下列幾個限制：
(1)如果信號源的內部阻抗是純電抗，它無噪聲，由此導致噪聲係數變為無窮大。
(2)當二連線埠添加的噪聲與源噪聲相比可忽略時，噪聲係數是兩個幾乎相等的量的比值。這可能會導致不可接受的誤差。
(3)噪聲係數的值取決於信號頻率、偏壓、溫度以及信號源阻抗。如果這些條件不同．比較兩個噪聲係數是毫無意義的。
(4)噪聲係數被定義在標準參考溫度(290K)，只有使用相同的參考溫度，它才是有意義的。因此，它不像噪聲溫度那么通用，噪聲溫度只要求噪聲功率必須是已知的，而對溫度沒有任何限制。
此外，噪聲係數只適用於線性電路，對於非線性電路，即使電路內部沒有任何噪聲源，其輸出端的信噪比也與輸入端不同，噪聲係數的概念不再適用。
減小噪聲的措施
1.選用低噪聲元、器件
在放大或其他電路中，電子元、器件的內部噪聲起著重要作用。因此，改進電子元、器件的噪聲性能和選用低噪聲的電子元、器件，就能大大降低電路的噪聲係數。
對電晶體而言，應選用rb(rbb’)和噪聲係數NF小的管子(可由手冊查得，但NF必須是高頻工作時的數值)。除採用電晶體外，還廣泛採用場效應電晶體做放大器和混頻器，因為場效應電晶體的噪聲電平低，尤其是最近發展起來的砷化鎵金屬半導體場效應電晶體(MESFET)，它的噪聲係數可低到0.5～1dB。
在電路中，還必須謹慎地選用其他能引起噪聲的電路元件，其中最主要的是電阻元件，宜選用結構精細的金屬膜電阻。
2.正確選擇電晶體放大級的靜態工作點
圖10.3.4為某電晶體的NF與IEQ的變化曲線。從圖中可以看出，對於一定的信號源內阻RS，存在著一個使NF最小的最佳電流IEQ值。因為IEQ改變時，直接影響電晶體的參數。當參數為某一值，滿足最佳條件時，可使NF達到最小值。如IEQ太小，電晶體功率增益太低，使NF上升；如IEQ太大，又由於電晶體的散粒和分配噪聲增加，也使NF上升。所以IEQ為某一值時，NF可以達到最小。從圖10.3.4中還可看出，對於不同的信號源內阻RS，最佳的IEQ也不同圖10.3.4電晶體的NF與IEQ的關係曲線
10-3-4
10-3-4當然，NF還分別與電晶體的VCBQ和CCEQ有關，但通常VCBQ和CCEQ對NF的影響不大。電壓低時，NF略有下降。
3.選擇合適的信號源內阻RS
信號源內阻RS變化時，也影響NF的大小。當RS為某一最佳值時，NF可達到最小。電晶體共發射極和共基極電路在高頻工作時，這個最佳內阻為幾十到幾百歐(當頻率更高時，此值更小)。在較低頻率範圍內，這個最佳內阻為500～2000Ω，此時最佳內阻和共發射極放大器的輸入電阻接近。因此，可以用共發射極放大器使獲得最小噪聲係數NF的同時，也能獲得最大功率增益。在較高頻工作時，最佳內阻和共基極放大器的輸入電阻接近，因此，可用共基極放大器，使最佳內阻值與輸入電阻相等，這樣就同時獲得最小噪聲係數和最大功率增益。
4.選擇合適的工作頻寬
根據上面的討論，噪聲電壓都與通頻寬度有關。接收機或放大器的頻寬增大時，接收機或放大器的各種內部噪聲也增大。因此，必須嚴格選擇接收機或放大器的頻寬，使之既不過窄，以能滿足信號通過時對失真的要求，又不致過寬，以免信噪比下降。
5.選用合適的放大電路
共發射極一共基極級聯的放大器、共源極一共柵極級聯的放大器都是優良的高穩定和低噪聲電路。
6.熱噪聲
熱噪聲是內部噪聲的主要來源之一，所以降低放大器，特別是接收機前端主要器件的工作溫度，對減小噪聲係數是有意義的。對靈敏度要求特別高的設備來說，降低噪聲溫度是一個重要措施。例如，衛星地面站接收機中常用的高頻放大器就採用“冷參放”(製冷至20～80K的參量放大器)。其他器件組成的放大器製冷後，噪聲係數也有明顯的降低。
