低噪声放大器设计

一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。

在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F（见放大）来表示

或用取对数值的噪声系数FN表示

FN＝10lgF (dB)　

理想放大器的噪声系数F＝1(0分贝),其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。设计良好的低噪声放大器的FN可达3分贝以下。在噪声系数很低的场合,通常也用噪声温度Te作为放大器噪声性能的量度：Te＝T0(F-1)。式中T0为室温。在这里,它和噪声温度Te的单位都是开尔文(K)。

多级放大器的噪声系数 F主要取决于它的前置级。若F1，F2，…，Fn依次为各级放大器的噪声系数，则

式中A1,…,An-1依次为各级放大器的功率增益。前置级的增益A1越大,则其后各级放大器对总噪声系数F的影响越小。

单级放大器的噪声系数主要取决于所用的有源器件及其工作状态。现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管；微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器，常温参放的噪声温度Tθ可低于几十度（绝对温度）,致冷参量放大器可达20K以下。砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于2分贝。

晶体管的自身噪声由下列四部分组成。①闪烁噪声，其功率谱密度随频率f的降低而增加，因此也叫作1/f噪声或低频噪声。频率很低时这种噪声较大，频率较高时（几百赫以上）这种噪声可以忽略。②基极电阻 rb'b的热噪声和。③散粒噪声，这两种噪声的功率谱密度基本上与频率无关。④分配噪声，其强度与f 的平方成正比，图1是晶体管噪声系数F随频率变化的曲线。对于低频,特别是超低频低噪声放大器,应选用1/f噪声小的晶体管；对于中、高频放大,则应尽量选用高的晶体管，使其工作频率范围位于噪声系数-频率曲线的平坦部分。

场效应晶体管没有散粒噪声。在低频时主要是闪烁噪声，频率较高时主要是沟道电阻所产生的热噪声。通常它的噪声比晶体管的小，可用于频率高得多的低噪声放大器。

放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及信源内阻有关。图2是考虑了自身噪声的放大器模型。us和Rs分别为信源电压和内阻,Rs的热噪声电压均方值等于 4kTRs墹f，式中T 为绝对温度，k为玻耳兹曼常数，墹f 为放大器通带。放大器自身噪声用噪声电压均方值和噪声电流均方值表示,它们是晶体管工作状态的函数，可以用适当方法来测量。这样，放大器的噪声系数F可写作

放大管的直流工作点一旦确定,和亦随之确定，这样,噪声系数F 将主要是信源内阻Rs的函数。Rs有一使F为最小的最佳值（图3）。

在工作频率和信源内阻均给定的情况下，噪声系数也和晶体管直流工作点有关。发射极电流IE有一使噪声系数最小的最佳值,典型的F-IE曲线如图4所示。

晶体管放大器的噪声系数基本上与电路组态无关。但共发射极放大器具有适中的输入电阻,F为最小时的最佳信源电阻Rs和此输入电阻比较接近，输入电路大体上处于匹配状态，增益较大。共基极放大器的输入电阻小，共集电极放大器的输入阻抗高，两者均不易同时满足噪声系数小和放大器增益高的条件，所以都不太适于作放大键前置级之用。为了兼顾低噪声和高增益的要求，常采用共发射极-共基极级联的低噪声放大电路。