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使用噪声系数NF换算等效输入噪声电压谱密度

有些厂家在晶体管中提供的噪声参数不是等效输入噪声电压和噪声电流而是噪声系数,尤其是日系老管,这对于对比参数和计算都并不直接.

下面给出一个推导来根据手册中提供的噪声系数NF来计算器件的等效输入噪声电压.

计算推导

热噪声对于任何器件都是存在的,这里考虑一个电阻的输出噪声功率,将电阻等效为一个内阻为R的热噪声源,当其和后端完成共轭匹配的时候,达到最大输出功率,那么这里最大输出噪声功率为

其中,K为Boltzmann’s Constant,波尔兹曼常量,其值为,1.380649×10^{-23}J/K ,T为开尔文温度,B为噪声带宽。

那么噪声功率谱密度为

(计算中保持量纲不变,焦耳单位为W×t,变换为W/Hz),为什么取290K?,IEEE规定的噪声因子F是这个条件下计算的。

对于噪声因子F(线性值)有

其中为器件添加到输出上的噪声功率,Na为器件噪声的等效输入噪声功率。

这里顺便提一句,那么器件的等效噪声温度是Te,这里就有 总而言之,这里就已经得到了,等效输入噪声功率Na

其中Ni是底噪,其功率谱密度为是-174dBm/Hz,这里需要换算为线性值,F为NF的线性值,因此可以得到等效输入噪声功率谱密度

得到了等效输入噪声功率谱密度 ,这里就可以得到输入噪声电压谱密度,假设源阻抗为50Ω

然而,很明显,这种计算是和源阻抗有关的。

计算器

手算是不可能手算的,这里做一个Excel计算器来计算.

关于晶体管的手册中的噪声系数

前面的计算可以得到,实际的管子的等效输入噪声电压密度和噪声系数之间的关系还要考虑源阻抗,然而很多厂商并没有给出测试条件,或者非常离谱.

部分厂商给出的值非常离谱,例如2SK208是在100KΩ源电阻的情况下给出的0.5dB…..实际上算出来有6.98nV/sqrtHz的等效输入噪声。。。晶体管仙人…,这个值实在是很普通了.

下面摘抄一段别人的经验之谈.

基准器件几款常见的小信号放大低噪声JFET的比较 - Powered by Discuz! (38hot.net)

而万恶的日系厂商最喜欢用噪声系数NF表征JFET噪声水平,通常对一定源内阻(一般是1K欧)如果NF到达1就在名称上称为低噪声JFET。我们知道NF与源内阻相关,反映地是JFET晶体管和源内阻整体系统中,JFET晶体管添加的噪声量。所以对于高的源内阻,由于热噪声高,JFET添加的噪声在总噪声中所占的比例低,NF就低。所以单谈论NF高低其实没有意义。而且JFET晶体管噪声JFET的噪声水平与其工作条件密切相关,而日系厂商的NF曲线并没有工作在噪声最佳状态,甚至从NF曲线上读出的值也与标称的值不一致(往往低很多)。所以可以认为,日系厂商的数据比较保守,当然从好的方面说,大厂如东芝、安森美(三洋、摩托)、NXP(飞利浦)的管子都很便宜,可能淘出和经典极低噪声管子媲美的JFET。

参考资料

1、Fundamentals of RF and Microwave Noise Figure Measurements-Agilent | Keysight

2、噪声系数测量的三种方法 | 亚德诺半导体 (analog.com)

3、噪声系数系列:噪声来源、NF定义及影响 (zhihu.com)

4、analog - Noise figure to voltage noise spectral density hand calculation - Electrical Engineering Stack Exchange

备注,下面三项基本其实都可以在第一个手册里面找到.