放大器噪声系数计算
噪声系数计算方法分析噪声系数计算方法分析
噪声系数的计算方法摘要：介绍了测量噪声系数的几种典型测量，重点分析了目前实际工程和研究中最常用的噪声系数测量方法—Y系数法，并对测量误差的主要来源进行了分析，阐述了噪声发生器性能和环境温度变化对测量结果的影响。
关键词：噪声系数；测量误差；Y因子MethodsofNoiseFigureMeasuringAbstract：Inthispaper,itintroducedmethodsofnoisefiguremeasuring.Manyemphasesare putonanalyzingY-factormethodwhichisthemostwidely-usednoisefiguremeasu ringmethodnowadaysinpracticalengineeringandstudy.Andanalyzethemainsou rceofmeasurementerror,explaintheeffectsof noisegenerator’sperformance andthechangeofenvironmenttemperatureinmeasurementresults.Keywords:noisefigure;measurementerror;Y-factor1.前言噪声系数测量方法基本上取决于两种输入功率条件下,被测输出功率的测量,实际上是计算两个噪声功率的相对比值。
在怎样改变输入功率方面,人们采用过热负载与冷负载、气体放电噪声源、限温二极管、信号发生器和现今使用的固态噪声源。
测量方法上也有多种,在先进的噪声系数测量仪器出现以前,工程师们就想到了很多简易的噪声系数测量方法,其特点是所需要的设备少,操作简单,但测量精度不高,应用范围比较窄,虽然如此,过去被广泛使用的简易测量方法在今天在部分领域仍然有一定的应用价值。
2噪声系数的典型方法噪声系数是表征线性二端口网络或二端口变换器系统噪声特性的一个重要参数。
等效噪声温度和噪声系数
1 L1
(Ga1
L3Fa3 1 / L1)(Ga2 /
L2 )
LK FK 3 1
(Ga1 / L1) (Ga,K 1 / LK 1)
接收机处中继器（放大器）的输出信噪比为
S N
o
1 S
F
N
i
1 F
PT N 0 Bneq
若每段都相同，即有 Gai Li , Li L, Fai F 从而有： F KLFa (K 1) KLFa
n级级联的总的噪声系数可利用等效噪声温度的公式求
Te,n Te1 Te2 / G1 Te3 / G1G2
Ten / G1G1 Gn1
F 1T0 F1 1T0 F2 1T0 / G1 F3 1T0 / G1G2
Fn 1T0 / G1G1 Gn1
n级级联系统的总的噪声系数为：
G2G1
KBeq
T
Te1
Te2
/
G1
G
Te
GKBeq T Te
Te Te1 Te2 / G1 , G G1G 2
即：每增加一级，总的等效噪声温度增加值为最新加入的这一 级的等效噪声温度除以之前所有的功率增益。
对于级联系统而言：每增加一级，总的等效噪声温度增加值为 最新加入的这一级的等效噪声温度除以之前所有的功率增益。
L
4 d
2
自由空间路径损耗
信号传输中继器
有线电话信道和微波视距无线信道中的模拟中继。
S
发射机PT PT 有损信道L
PR PT
中继器 N 1
（G,Fa）
L
中继器输出功率 Po GPR GPT / L PT (当G L)
R0 Vi(t)
输入电压为
放大器的噪声分析
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设放大器在输入端和信号源是功率匹配的，
即Rs=Ri，
在输出端和负载也是功率匹配的：Ro=RL
放大器的功率增益为APH。 信号源的内阻Rs产生的热噪声电压均方值为:
En2s 4KTRsf
而放大器的输入噪声功率则为：Pni
En2s 4Rs
KTf
该噪声功率放大后为：Pni Ap APH KTf
或： NF
1
Pn Pni Ap
放大器产生的噪声功率 1 源电阻产生的输出噪声功率
它们分别从不同的角度说明了噪声系数 的含义，是完全等效的。
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在计算具体电路的噪声系数时，用后面两 式比较方便。
应该指出，噪声系数的概念仅仅适用于线 性电路（线性放大器），因此可以用功率 增益来描述。
T(NF 1)
Ti就称为放大器的噪声温度。 当Ti=0时，NF=1表示放大器本身不产生噪声，是理
想的无噪声放大器；
当本Ti=身T时所（产=生29的0K噪）声则和NF信=2号（源NF所=3输dB入）的，噪表声示相放等大。器
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在功率匹配情况下，放大器的总的输出噪声 功率：
Pn0 APH KTf APH KTi f APH K (T Ti )f
对于非线性电路而言，不仅得不到线性放 大，而且信号和噪声、噪声和噪声之间会 相互作用，即使电路本身不产生噪声，在 输出端的信噪比和输入端的也不相同。 因此噪声系数的概念就不能适用。
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§2.4 最佳源电阻Ropt与最小噪声系数NFmin
根据前面导出的噪声系数表达式
NF
En2s
En2
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等效输入噪声曲线
低噪声放大器稳定系数k的计算
低噪声放大器稳定系数k的计算在放大器设计和应用中，稳定系数k是一个非常重要的参数。
它代表了放大器的稳定性和抗干扰能力，是评价放大器性能的重要指标之一。
在低噪声放大器设计中，稳定系数k的计算尤为关键，因为放大器的噪声性能对系统整体的性能有着重要的影响。
在本文中，我们将详细介绍低噪声放大器稳定系数k的计算方法及其相关知识。
1. 低噪声放大器的定义低噪声放大器是一种具有低噪声系数的放大器，其主要特点是在放大信号的同时尽量减小输入信号中的噪声，从而提高输出信号的信噪比。
低噪声放大器广泛应用于无线通信系统、卫星通信系统、雷达系统等对信号传输质量要求较高的场合。
2. 低噪声放大器的稳定系数k稳定系数k是衡量放大器稳定性的重要参数，它的定义是放大器开环传输函数的幅度变化与相位变化之比。
稳定系数k越大，表示放大器的稳定性越好，对外部干扰的抵抗能力越强。
3. 稳定系数k的计算方法稳定系数k的计算方法有多种，其中比较常用的是极点分布法和Nyquist稳定判据法。
下面分别介绍这两种方法的计算步骤。
3.1 极点分布法极点分布法是一种简单直观的计算方法，其步骤如下：（1）根据放大器的开环传输函数，求出其极点的位置；（2）根据极点的位置，计算出稳定系数k的值。
3.2 Nyquist稳定判据法Nyquist稳定判据法是一种基于Nyquist图的计算方法，其步骤如下：（1）根据放大器的开环传输函数，绘制出Nyquist图；（2）根据Nyquist图上的相位裕度和增益裕度，计算出稳定系数k的值。
4. 稳定系数k的意义稳定系数k的大小直接影响着放大器在实际应用中的稳定性和性能。
当稳定系数k足够大时，表示放大器对外部干扰的抗干扰能力较强，有利于提高整个系统的抗干扰性能；反之，如果稳定系数k较小，放大器容易受到外部干扰的影响，从而影响系统的正常工作。
5. 结论稳定系数k是评价放大器稳定性和抗干扰能力的重要参数，其计算方法主要有极点分布法和Nyquist稳定判据法。
低噪放的设计
1.023 1.047 1.072 1.096 1.122 1.148 1.175 1.202 1.230 1.259 6.825 13.81 20.96 28.27 35.75 43.41 51.24 59.26 67.47 75.87 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 10
在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆 在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆
15
等噪声源、等增益圆是我们设计输入输出匹配电路，尤其输入 匹配电路的依据。
低噪声放大器设计的依据与步骤 16
依据： 1. 满足规定的技术指标 噪声系数（或噪声温度）；功率增益；增益平坦度；工作频 带；动态范围 2. 1. 2. 3. 4. 5. 输入、输出为标准微带线，其特征阻抗均为50 放大器级数 晶体管选择 电路拓朴结构 电路初步设计 用CAD软件进行设计、优化、仿真模拟 步骤：
9
放大器技术指标— 放大器技术指标—端口驻波比和反射损耗
9
低噪声放大器主要指标是噪声系数，所以输入匹配电 路是按照噪声最佳来设计的，其结果会偏离驻波比最 佳的共扼匹配状态，因此驻波比不会很好。 此外，由于微波场效应晶体或双极性晶体管，其增益 特性大体上都是按每倍频程以6dB规律随频率升高而 下降，为了获得工作频带内平坦增益特性，在输入匹 配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路情况下， 只能采用低频段失配的方法来压低增益，以保持带内 增益平坦，因此端口驻波比必然是随着频率降低而升 高。
在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆 在圆图上表示噪声和增益——等噪声圆和等增益圆
14
输入、输出不匹配时，增益将下降。因为负载 是复数，有可能在不同的负载下得到相同的输 出，经分析在圆图上，等增益线为一圆，这个 圆叫等增益圆。 当输入匹配电路不能使信源反射系数ΓS和最佳反
噪声系数测量
Fsys
?
Pgen KT0 B
பைடு நூலகம்GPg ? GN IN ? N ? 2GN IN ? 2N
GPg ? GN IN ? N
F ? GN IN ? N GN IN
F ? GPg ? Pg GN IN N IN
代入
信号源
F ? Pg KT0 B
DUT 功率计
? (ENR ? F ) 1 ? ENR ? 1 FF
Y ? 1 ? ENR F
F ? ENR Y ?1
测出Y，已知ENR就算出噪声系数F。 NF=10LogF。
Y=N2/N1
未加电 ： N1=GKT0B+Na
加电： N2=GTHNaKB+N a
N2=YN1=Y(GKT0B+Na)
GTHKB+N a=Y(GKT0B+Na)
0
ENR/(Y-I)
4.信号发生器测量法
当被测系统噪声系数较大时，可采用信号发生器测量方法。
在被测系统输入端加入负载（环境温度约290K），测量输出噪声
功率P1。然后在输入端加入信号发生器，使信号发生器输出频率在
测量范围内。调整信号发生器输出功率，使被测系统输出功率P2比
P1高3dB。可得出噪声系数：
测试结果
频谱分 析仪
-50dBm -70dBm
RBW=100KHz
噪声密度PND=-70dBm-10Log（100000Hz）=-120dBm 计算结果：NF=-120dBm+174-（-50dBm-（-100dBm）=4dB
(3) Y因子法
图 5-5Y 因子法测试噪声系数
超噪比 ： ENR ? TH ? 290 290
高频小信号放大器的一些质量指标讲解
增益 dB
电压比(Uo/Ui)或 电流比(Io/Ii)
功率比(Po/Pi)
衰减 电压比(Uo/Ui)或
dB
电流比(Io/Ii)
功率比(Po/Pi)
0
1
1
0
1
1
1
1.12(? 1.1)
1.26(? 1.3)
-1
0.891(? 0.9)
0.794(? 0.8)
2
1.26(? 1.3)
1.58(? 1.6)
1 0.7
实际通 频带
2? f0.7
0.1 0
f
2? f0.1
衡显量然选K择r0.1性越的小基，本越指接标近有1两， 个即—2Δ—f0矩.1越形接系近数2和Δf抑0.7制，比这。时实 际通频带越接近理想通频带。
同时由定义可知，矩形系数
Kr0.1 >1。
本继页续完
三、选择性
3、抑制比 d
抑制比的意义： 抑制比是表示电路对某一特 定的干扰频率的抑制能力。
引言
为了分析高频小信号放大器，首先应当了 解实际运用时对它的要求如何，也就是应当先 讨论它的主要质量指标。
高频小信号放大器的主要质量指标如下： （1）增益（ gain ） （2）通频带（ passband ） （3）选择性（ selectivity ） （4）工作稳定性（ stability ） （5）噪声系数（ noise figure ）
于噪1比的的，比越值接反近应1，了则信说号明通放 比下降了。此时有：
本页引言完 返回
求要和点要习学节本
1、增益 2、通频带 3、选择性 4、工作稳定性 5、噪声系数
返回
一、增益
3.1高频小信号放 大器的质量指标
甚低频低噪声放大器噪声系数测量-
甚低频低噪声放大器噪声系数测量-一、引言1.1 研究背景1.2 研究目的1.3 研究意义二、低频低噪声放大器的噪声系数2.1 噪声的概念2.2 噪声的分析2.3 噪声系数的定义与测量方法三、测量系统的设计3.1 测量系统概述3.2 噪声测量仪器的选择3.3 测量电路的设计四、实验与结果分析4.1 实验方案设计4.2 实验数据处理与分析4.3 结果讨论五、结论和展望5.1 结论总结5.2 展望研究方向参考文献一、引言1.1 研究背景在电子行业中，低频低噪声放大器是十分重要的一类电路。
它们广泛应用于高灵敏度的测量、感应、放大等方面，如传感器、音频系统、医疗设备等领域中。
噪声系数是评估低噪声设备性能的重要指标之一，它描述了器件在信号处理过程中产生的电磁干扰对信号的影响程度。
因此，研究低频低噪声放大器的噪声系数测量方法具有重要的理论意义和实际应用价值。
1.2 研究目的本次研究旨在探究低频低噪声放大器的噪声系数测量方法，建立一套系统化的测量系统，能够准确、可靠地测量低频低噪声放大器的噪声系数。
同时还要探讨如何降低噪声系数，提高放大器的信噪比，进一步提高器件性能。
1.3 研究意义在实际应用中，低频低噪声放大器的噪声系数是十分重要的指标。
它对于电子仪器的性能和精度提高有着决定性的影响。
因此，研究设计低噪声、高性能的低频低噪声放大器对于提高电子仪器性能的发展有着十分积极的推动作用。
本文在探究低频低噪声放大器的噪声系数测量方法及其影响因素的基础上，降低噪声系数，优化性能的方法，为低频低噪声放大器的研究和应用提供了理论和实践基础。
二、低频低噪声放大器的噪声系数2.1 噪声的概念噪声是一个随机的信号，对于元器件来说，噪声通常指的是其输出信号中包含的随机成分，与输入信号无关。
这种随机性来源于器件内部运动的不规则性以及分布不均衡等因素。
噪声被分为多种类型，其中最常用的指标是均方根 (root mean square, RMS) 值。
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ZHCA525 – April 2013
毛华平
放大器噪声系数计算
德州仪器公司 (TI) 高速应用工程师
摘要
本文简要介绍了两种放大器架构的噪声系数计算, 包括 inverting, non-inverting 架 构的噪声系数计算, 并提供计算小工具.
Abstract: this article introduce the noise figure calculation of several architecture, such as inverting, non-inverting, And also provide the calculation tool.
4 × R(in kΩ)
根据这个估计, 可以得到如下电阻值的电压噪声:
R (Ω)
sqrt(4kTR)*1e9 4*sqrt(R in kΩ)
20
0.574
0.566
50
0.907
0.894
100
1.283
1.265
1k
4.056
4.000
在输出的噪声中, 上图的各个分量其贡献如下:
Source
I BN eN I BI RS RG RF
公式 1
这个公式分了 6 项:
ZHCA525
1) 4������������������������ �1 + �������������������������2
2)
(������������������������������)2
�1
+
������������ ������������
2
�
3) ������������2 �1 + �������������������������2 4) (������������������������������)2 5) 4������������������������
Key words: Noise figure, Inverting, non-inverting.
Contents
1 引言 ................................................................................................................................. 2 2. 放大器噪声指标 .............................................................................................................. 2 3 信噪比计算 ................................................................................................................... 6 4 放大器噪声系数计算 ................................................................................................... 10 4.1 Inverting 输入运放噪声系数计算................................................................................ 10 4.2 Non-Inverting 输入运放噪声系数计算 ........................................................................ 13 5 案例分析 ..................................................................................................................... 14 6 总结 ............................................................................................................................ 15 7 附件 ............................................................................................................................ 15 8 参考资料 ..................................................................................................................... 15
Figure 1 输入电压噪声和电流噪声曲线图例 按噪声种类来分, 其大致贡献在不同的频段如下:
ZHCA525
100
Flicker or 1/f Noise
White or Spectrally000
10000 100000 1000000
Figure 2 噪声种类分布图
Figures
Figure 1 输入电压噪声和电流噪声曲线图例 .............................................................................. 2 Figure 2 噪声种类分布图 .......................................................................................................... 3 Figure 3 放大器噪声分量分解 ................................................................................................... 3 Figure 4 放大器电压噪声等效输出模型 ................................................................................... 5 Figure 5 放大器电流噪声等效输出模型 ................................................................................... 6 Figure 6 通过噪声谱密度计算综合噪声 ................................................................................... 6 Figure 7 输入电压噪声及电流噪声谱密度频率分布图 .............................................................. 7 Figure 8 1/f 噪声 ..................................................................................................................... 7 Figure 9 平坦带噪声................................................................................................................ 8 Figure 10 噪声分布曲线 .......................................................................................................... 9 Figure 11 Inverting 输入形式运放噪声分布 .......................................................................... 10 Figure 12 电阻噪声等效计算方法 .......................................................................................... 11 Figure 13 Non-Inverting 放大器噪声模型 ............................................................................. 13 Figure 14 Inverting 放大器输入电路 ..................................................................................... 14
Output noise Term
I BN
RS
×
(1 +
RF RG
)
eN
×
(1 +
RF RG
)
I BI RF
4KTRS
(1 +
RF RG
)
4 KT RG
RF
4 KTRF
输出的噪声是这些分量的均方和: ������������ = �(������������������������������ + (������������������������������)������ + ������������������) ������� + ������������������������������� + (������������������������������)������ + ������������������������������ ������� + �������������������������