雜訊係數

由於放大器本身有雜訊，輸出端的信噪比和輸入端信噪比是不一樣的，為此，使用雜訊係數來衡量放大器本身的雜訊水平。該係數表徵放大器的雜訊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雜訊也就越大，反映了器件或者通道特性的不理想。

在一些部件和系統中，雜訊對它們性能的影響主要表現於信號與雜訊的相對大小，即信號雜訊功率比上。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雜訊通過它們時，此系統不引入附加的雜訊。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雜訊，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。

公式表示為：雜訊係數N=輸入端信噪比/輸出端信噪比，單位常用“dB”。

在放大器的雜訊係數比較低的情況下，通常放大器的雜訊係數用雜訊溫度（T）來表示。

放大電路不僅把輸入端的雜訊放大，而且放大電路本身也存在雜訊。所以，其輸出端的信噪比必小於輸入端信噪比。在放大器中，內部雜訊與外部雜訊愈小愈好。放大電路本身雜訊越大，它的輸出端信噪比越小於輸入端信噪比，N就越大。

雜訊係數與雜訊溫度的關係為：T=（NF-1）T 或 NF=T/T+1 其中：T-絕對溫度（290K）。

雜訊係數F表徵二埠網路對信噪比影響的情況。對於一個無雜訊的理想放大器，F=1；而對於具有內部雜訊源的實際放大器，F>1。F越大，說明放大器內部雜訊越嚴重，放大器導致的信噪比惡化程度越嚴重。

設由源電阻R的雜訊經無雜訊二埠放大后的輸出雜訊功率為P，見圖3-19；實際二埠輸入端連接到一個無雜訊的電阻R時的輸出雜訊功率為P，P純屬二埠的雜訊貢獻。則式可表示為

由上式可見，如果人為地增加信號源的電阻，則其熱雜訊增加，P也會增加，雜訊係數會降低，儘管輸出雜訊功率已增加。這說明，雜訊係數只是提供了由二埠產生的雜訊和信號源雜訊之間的比較，而不是對二埠雜訊的絕對估計值。

此外，雜訊係數還具有下列特點：

(1)此參數不包括負載對輸出雜訊的貢獻。

(2)雜訊係數密切依賴於信號源的內阻。

(3)無雜訊二埠的雜訊係數為1。

(4)一個含雜訊二埠總是會將其自身雜訊添加到信號源的雜訊，這種貢獻可用(F-1)來估計。換言之，雜訊係數總大於1。

(5)如果沒有信號源內部阻抗的信息，雜訊係數的概念是沒有意義的。

(6)相對於S/N，雜訊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，由雜訊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雜訊係數是低雜訊設計的主要目標，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而不是雜訊係數。

雜訊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，它無雜訊，由此導致雜訊係數變為無窮大。

(2)當二埠添加的雜訊與源雜訊相比可忽略時，雜訊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)雜訊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．比較兩個雜訊係數是毫無意義的。

(4)雜訊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，它不像雜訊溫度那麼通用，雜訊溫度只要求雜訊功率必須是已知的，而對溫度沒有任何限制。

此外，雜訊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雜訊源，其輸出端的信噪比也與輸入端不同，雜訊係數的概念不再適用。

1.選用低雜訊元、器件

在放大或其他電路中，電子元、器件的內部雜訊起著重要作用。因此，改進電子元、器件的雜訊性能和選用低雜訊的電子元、器件，就能大大降低電路的雜訊係數。

對晶體管而言，應選用rb(rbb’)和雜訊係數N小的管子(可由手冊查得，但N必須是高頻工作時的數值)。除採用晶體管外，還廣泛採用場效應晶體管做放大器和混頻器，因為場效應晶體管的雜訊電平低，尤其是最近發展起來的砷化鎵金屬半導體場效應晶體管(MESFET)，它的雜訊係數可低到0.5～1dB。

在電路中，還必須謹慎地選用其他能引起雜訊的電路元件，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.正確選擇晶體管放大級的靜態工作點

圖10.3.4為某晶體管的N與I的變化曲線。從圖中可以看出，對於一定的信號源內阻R，存在著一個使N最小的最佳電流I值。因為I改變時，直接影響晶體管的參數。當參數為某一值，滿足最佳條件時，可使N達到最小值。如I太小，晶體管功率增益太低，使N上升；如I太大，又由於晶體管的散粒和分配雜訊增加，也使N上升。所以I為某一值時，N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R，最佳的I也不同圖10.3.4晶體管的N與I的關係曲線

當然，N還分別與晶體管的V和C有關，但通常V和C對N的影響不大。電壓低時，N略有下降。

3.選擇合適的信號源內阻R

信號源內阻R變化時，也影響N的大小。當R為某一最佳值時，N可達到最小。晶體管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雜訊係數N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雜訊係數和最大功率增益。

4.選擇合適的工作帶寬

根據上面的討論，雜訊電壓都與通帶寬度有關。接收機或放大器的帶寬增大時，接收機或放大器的各種內部雜訊也增大。因此，必須嚴格選擇接收機或放大器的帶寬，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雜訊電路。

6.熱雜訊

熱雜訊是內部雜訊的主要來源之一，所以降低放大器，特別是接收機前端主要器件的工作溫度，對減小雜訊係數是有意義的。對靈敏度要求特別高的設備來說，降低雜訊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后，雜訊係數也有明顯的降低。