噪聲系數的計算及測量方法（一）

噪聲系數(NF)是RF系統(tǒng)設計師常用的一個參數，它用于表征RF放大器、混頻器等器件的噪聲，并且被廣泛用作無線電接收機設計的一個工具。許多優(yōu)秀的通信和接收機設計教材都對噪聲系數進行了詳細的說明.

現(xiàn)在，RF應用中會用到許多寬帶運算放大器和ADC，這些器件的噪聲系數因而變得重要起來。討論了確定運算放大器噪聲系數的適用方法。我們不僅必須知道運算放大器的電壓和電流噪聲，而且應當知道確切的電路條件：閉環(huán)增益、增益設置電阻值、源電阻、帶寬等。計算ADC的噪聲系數則更具挑戰(zhàn)性，大家很快就會明白此言不虛。

公式表示為：噪聲系數NF=輸入端信噪比/輸出端信噪比，單位常用“dB”。

該系數并不是越大越好，它的值越大，說明在傳輸過程中摻入的噪聲也就越大，反應了器件或者信道特性的不理想。

在放大器的噪聲系數比較低的情況下，通常放大器的噪聲系數用噪聲溫度(T)來表示。

噪聲系數與噪聲溫度的關系為：T=(NF-1)T0 或 NF=T/T0+1 其中：T0-絕對溫度(290K)

噪聲系數計算方法

研究噪聲的目的在于如何減少它對信號的影響。 因此，離開信號談噪聲是無意義的。

從噪聲對信號影響的效果看，不在于噪聲電平絕對值的大小，而在于信號功率與噪聲功率的相對值，即信噪比，記為S/N(信號功率與噪聲功率比)。 即便噪聲電平絕對值很高，但只要信噪比達到一定要求，噪聲影響就可以忽略。 否則即便噪聲絕對電平低，由于信號電平更低，即信噪比低于1，則信號仍然會淹沒在噪聲中而無法辨別。 因此信噪比是描述信號抗噪聲質量的一個物理量。

1 噪聲系數的定義

要描述放大系統(tǒng)的固有噪聲的大小，就要用噪聲系數，其定義為

設Pi為信號源的輸入信號功率，Pni為信號源內阻RS產生的噪聲功率，Po和Pno分別為信號和信號源內阻在負載上所產生的輸出功率和輸出噪聲功率,Pna表示線性電路內部附加噪聲功率在輸出端的輸出。

已知噪聲功率是與帶寬B相聯(lián)系的。

噪聲系數與輸入信號大小無關。定義：Pni為信號源內阻Rs的最大輸出功率，為kTB

噪聲系數的大小與四端網絡輸入端的匹配情況無關

噪聲系數的定義只適用于線性或準線性電路

信噪比與負載的關系

設信號源內阻為RS，信號源的電壓為US(有效值)，當它與負載電阻RL相接時，在負載電阻RL上的信噪比計 算如下：

在負載兩端的信噪比結論： 信號源與任何負載相接本不影響其輸入端信噪比，即無論負載為何值，其信噪比都不變，其值為負載開路時的信號電壓平方與噪聲電壓均方值之比。

2. 噪聲系數的計算

用額定功率和額定功率增益表示的噪聲系數

放大器輸入信號源電路如圖所示。 任何信號源加上負載后，其信噪比與負載大小無關，信噪比均為信號均方電壓(或電流)與噪聲均方電壓(或電流)之比。

放大器的噪聲系數NF為

Pasi和Pao分別為放大器的輸入和輸出額定信號功率，Pani和Pano分別為放大的輸入和輸出額定噪聲功率，Gpa為放大器的額定功率增益。

額定功率, 又稱資用功率或可用功率, 是指信號源所能輸出的最大功率, 它是一個度量信號源容量大小的參數, 是信號源的一個屬性, 它只取決于信號源本身的參數——內阻和電動勢, 與輸入電阻和負載無關, 如圖所示。

(a) 電壓源; (b) 電流源

放大器的噪聲系數NF為

對于無源二端口網絡，輸出端匹配時，輸出的額定噪聲功率Pano= kTB, 所以噪聲系數:

抽頭回路的噪聲系數

輸入端信號源的最大輸出功率,即二端網絡最大輸入功率為 ：將信號源電導等效到回路兩端, 為p2gS, 等效到回路兩端的信號源電流為pIS, 輸出端匹配時信號源的最大輸出功率，即二端網絡輸出端最大功率為：

多級放大器噪聲系數的計算

多級放大器的總噪聲系數計算公式為：

從上式可以看出, 當網絡的額定功率增益遠大于1時, 系統(tǒng)的總噪聲系數主要取決于第一級的噪聲系數。 越是后面的網絡, 對噪聲系數的影響就越小, 這是因為越到后級信號的功率越大, 后面網絡內部噪聲對信噪比的影響就不大了。 因此, 對第一級來說, 不但希望噪聲系數小, 也希望增益大, 以便減小后級噪聲的影響。