低噪声功率放大器

　　极小噪音的放大器。在各种无线电接收机中常用的高频、中频前置放大器和高灵敏度电子探测装置放大电路。当放大弱信号时，放大器本身的噪声会对信号产生较大的干扰，为了提高输出的信噪比，需要减小这种噪声。通常用噪声系数F表示放大器引起的信噪比恶化程度。

　　在实际应用中，理想放大器的噪声系数F=1(0dB)，其物理意义为输入信噪比等于输出信噪比。目前低噪声放大器大多采用晶体管，场效应晶体管;微波低噪声放大器采用了变容二极管参量放大器，其噪声温度Te可以低于数十度(绝对温度)，致冷参数放大器在20K以下，砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用越来越广泛，其噪声系数在2dB以下。功放噪声系数还与晶体管的工作状态和源内阻有关。为同时考虑到低噪声和高增益的要求，通常采用共发射极共模基极基的低噪声放大电路。

　　当放大弱信号时，放大器本身的噪声会对信号产生较大的干扰，为了提高输出的信噪比，需要减小这种噪声。扩音器引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F(见放大)来表示，或者使用获取对数值的噪声系数FN表示FN=10lgF(dB)

　　在实际应用中，理想放大器的噪声系数F=1(0dB)，其物理意义为输出信噪比等于输入信噪比。经过精心设计的低噪声放大器可以达到3dB的工作频率。通常还使用噪声温度Te来衡量放大器噪声性能的指标：Te=T0(F-1)。式中T0为室温。这一点，其单位为Kervin(K)(K)。

　　多层放大器的噪声系数F主要由其前置级决定。如F1、F2、…、Fn分别表示各等级放大器的噪声系数，则公式中A1、…、An-1分别表示各级放大器的功率增益。前级增益A1越大，随后各级放大器对总噪声系数F的影响就越小。

　　单级放大噪声系数主要与使用的有源器件及其工作状态有关。目前低噪声放大器大多采用晶体管，场效应晶体管，微波低噪声放大器采用了变容二极管参量放大器，其噪声温度Tθ可以低于几十度(绝对温度)，并能达到20K以下。GaGaFET在微波放大器中的应用越来越广泛，可以达到2dB以下的噪声系数。

　　电晶体本身有四个部分构成。①闪烁噪声，随频率f减小，功率谱密度增大，故又称为1/f噪声或低频噪声。在低频情况下，这种噪声较大、频率较高(数百赫兹以上)的噪声可忽略。②基极阻抗热噪系数;散颗粒噪声，它们的功率谱密度基本上不依赖于频率。④分配噪声，其强度正比于f的平方，当f大于晶体管的截止频率时，噪声会急剧增大。1是晶体管噪声系数F与频率关系的曲线。对低频，尤其是超低频低噪声放大器，应选择1/f噪声小的晶体管;对于中、高频放大，应尽可能选择高频段，使其在噪声系数-频率曲线上的平直部分进行工作。

　　FET无散粒噪声存在。低频段以闪烁噪声为主，高频段以沟道电阻引起的热噪声为主。一般情况下，它的噪音比晶体管小，适用于更高频率的低噪声放大器。

　　功放噪声系数还与晶体管的工作状态和信源内阻有关。图2是一个包含自身噪声的放大模型。us和Rs分别是源端电压和内阻，Rs的热噪声电压均方值等于4kTRs，在式中T为绝对温度，k是玻耳兹曼常数，而f为放大器通带。功放本身噪声由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，可采用合适的方法进行测量。通过这种方法，放大器的噪声系数F可写放大管的直流工作点一旦确定，并且也随之确定，因此，噪声系数F主要是信源内阻Rs的函数。在Rs中，一个最优值是F(图3)。

　　当工作频率和源内阻都一定时，噪声系数还与晶体管直流工作点有关。射极电流IE有一个最佳值，可使噪声系数降至最低，典型F-IE曲线见图4。

　　半导体放大器的噪声系数基本不受电路结构的影响。但是，共发极放器具有中等的输入电阻，F为最小时的最优信源电阻Rs与这个输入电阻相近，输入电路基本上是匹配状态，增益较大。共集电极放大器输入电阻小、输入阻抗高，二者不易同时满足噪声系数小和放大增益高的条件，因此都不太适合做放大键前置级。为同时满足低噪声和高增益要求，通常采用共发射极-共基极级联的低噪声放大电路。