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Aug 11, 2023

Concetti relativi alla figura di rumore: guadagno di potenza, componenti con perdite e sistemi in cascata

The concept of noise factor is reasonably intuitive, which is to characterize

Il concetto di fattore di rumore è ragionevolmente intuitivo e consiste nel caratterizzare il degrado dell'SNR (rapporto segnale-rumore) mentre il segnale passa attraverso il componente. Tuttavia, nella definizione della figura di rumore sono nascoste diverse sottigliezze che a volte non vengono sufficientemente evidenziate. Una complessità che deve essere pienamente compresa è che il valore della figura di rumore è specificato per una resistenza della sorgente nota (tipicamente 50 Ω) a una temperatura standard di 290 K.

In questo articolo discuteremo un'altra importante sottigliezza, vale a dire il tipo di guadagno di potenza utilizzato nella definizione della figura di rumore. Successivamente, esamineremo la cifra di rumore dei componenti con perdite e dei sistemi in cascata.

Il fattore di rumore (F) è definito come il rapporto tra l'SNR in ingresso e l'SNR in uscita:

\[F=\frac{\frac{S_i}{N_i}}{\frac{S_o}{N_o}}\]

Dove:

Sostituendo So = GASi si ottiene la seguente equazione alternativa:

\[F=\frac{N_o}{G_A N_i}\]

Dove GA è il guadagno di potenza disponibile del circuito.

Successivamente, diamo un'occhiata alla definizione del guadagno di potenza disponibile.

La Figura 1 illustra come viene calcolato il guadagno di potenza disponibile di un modulo per una data impedenza della sorgente ZS = RS + jXS.

Supponiamo che l'impedenza di ingresso e uscita del modulo sia ZIn = RIn + jXIn e Zout = Rout + jXout. Come mostrato nella Figura 1(a), possiamo collegare l'uscita del modulo a un carico coniugato, ovvero ZL = Rout - jXout, e misurare la potenza erogata al carico, PL. Poiché l'uscita è abbinata coniugatamente, PL è la potenza disponibile dalla rete PAVN.

Un'altra quantità richiesta è la potenza disponibile dalla sorgente PAVS. Questo è il potere che la sorgente fornisce al complesso coniugato di ZS, come illustrato nella Figura 1(b). Il rapporto tra PAVN e PAVS è definito come il guadagno di potenza disponibile del modulo GA:

\[G_A = \frac{P_{AVN}}{P_{AVS}}\]

Il guadagno disponibile dipende da ZS ma non da ZL. Questo perché l'impedenza di carico è, per definizione, una complessa corrispondenza coniugata dell'impedenza di uscita del modulo e, quindi, è già impostata dall'impedenza di uscita del modulo. Tieni presente che il guadagno disponibile tiene conto della mancata corrispondenza tra la sorgente e l'ingresso del DUT (dispositivo sotto test).

Nella definizione della figura di rumore (Equazione 1), Si è la potenza disponibile della sorgente del segnale e So è la potenza di uscita che può essere erogata in un carico adattato. Pertanto, il rapporto So/Si soddisfa la definizione di guadagno di potenza disponibile. Tieni presente che esistono diverse definizioni di guadagno di potenza nel lavoro RF, come guadagno di potenza del trasduttore e guadagno di potenza di inserzione. Se utilizziamo un guadagno di potenza diverso da quello disponibile nei nostri calcoli NF, otterremo un'approssimazione del valore NF effettivo. Ad esempio, i metodi pratici di misurazione della figura di rumore determinano molto spesso il guadagno di inserzione del DUT. L'uso del guadagno di inserzione piuttosto che del guadagno disponibile può introdurre errori nelle nostre misurazioni della figura di rumore.

Vale anche la pena ricordare che il guadagno disponibile è utile quando si ha a che fare con una cascata di stadi. Il guadagno complessivo disponibile di una cascata è pari al prodotto dei singoli guadagni disponibili. Per trovare il guadagno disponibile della cascata, il guadagno disponibile di ciascuno stadio deve essere specificato per un'impedenza di sorgente pari all'impedenza di uscita dello stadio precedente.

Quando si progettano sistemi RF, occasionalmente riteniamo necessario introdurre perdite in un punto particolare della catena del segnale. Ad esempio, nelle applicazioni di test e misurazione, possiamo ridurre l'incertezza del disadattamento attraverso gli attenuatori. Un circuito passivo che attenua il segnale deve avere resistenza fisica e sappiamo che i resistori producono rumore termico. Pertanto, gli attenuatori passivi degradano le prestazioni SNR. Vediamo come determinare la figura di rumore di questi componenti. Ad esempio, si consideri un attenuatore di tipo T da 6 dB progettato per un sistema da 50 Ω, come mostrato di seguito (Figura 2).