Introduzione. Il rumore spesso e causato da sorgenti esterne al sistema elettronico che stiamo studiando:

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Severina Donato
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1 Introduzione Si definisce rumore, nel senso piu generale del termine, un qualsiasi disturbo che nasconde o interferisce con il segnale che stiamo misurando Il rumore spesso e causato da sorgenti esterne al sistema elettronico che stiamo studiando: Accoppiamento elettromagnetico tra il sistema e le linee di alimentazione, trasmettitori radio, luci fluorescenti Accoppiamento elettromagnetico tra canali adiacenti dello stesso sistema, Rumore microfonico dovuto a vibrazioni meccaniche di componenti Escludendo altre sorgenti di rumore come radiazione cosmica e effetti atmosferici, tutto questo puo essere eliminato con un appropriata schermatura, filtraggio e/o modifica della disposizione dei componenti

2 Introduzione () Nel seguito, con la parola rumore, considereremo solo quanto dovuto alle fluttuazioni casuali che avvengono nei componenti costituenti il sistema elettronico in questione (ad esempio il rumore termico presente in tutti i conduttori a temperature superiori allo zero assoluto) Questo rumore intrinseco e importante perche : Il limite della risoluzione di un sensore e spesso dato dal livello di rumore Il range dinamico di uno strumento e determinato dal rumore: infatti l ampiezza massima del segnale e definita dal circuito mentre l ampiezza minima dal livello di rumore 3

3 Il rumore Nel seguito consideriamo quindi i principali meccanismi di generazione del rumore che troviamo nei componenti elettronici (resistenze, transistor) TERMICO sempre presente SHOT semiconduttori 1/f specifico 4

Proprieta generali Il rumore e un segnale totalmente casuale E costituito da componenti di frequenza completamente casuali sia in ampiezza che in fase Anche se si puo misurare l ampiezza rms di un

4 Proprieta generali Il rumore e un segnale totalmente casuale E costituito da componenti di frequenza completamente casuali sia in ampiezza che in fase Anche se si puo misurare l ampiezza rms di un rumore, l ampiezza in ogni istante temporale non puo essere prevista (altrimenti non sarebbe un problema, no? ) Molti tipi di rumore hanno una distribuzione gaussiana della ampiezza instantanea nel tempo V rms = 1 T T 0 v ( t) dt 5

5 Rumore Termico E quello piu comune E dovuto alle vibrazioni termiche casuali dei portatori di carica in un conduttore (simile al moto Browniano) Prima osservazione: J.B. Johnson 197, descritto poi teoricamente da H. Nyquist 198 Ogni elettrone a temperatura sopra lo zero ha un moto casuale; a causa del fatto che ha una carica non nulla il moto casuale genera una corrente casuale che da origine ad una differenza di potenziale casuale ai capi del conduttore 6

6 Rumore Termico (4) R G=1 Filtro passa basso Solo la banda passante del circuito limita la potenza di rumore presente in uscita al circuito v = 4kTR. BW tot noise Banda Passante del circuito P 0 f 9

7 DC 00 khz DC 0 khz DC khz Rumore bianco visto all oscilloscopio (1ms/div) 10

8 Rumore Termico (5) v R = 4kTRΔf Il rumore presente ai capi della resistenza reale R e equivalente a quello dato dal seguente circuito R * ktrδf E t = 4 <v> E t = generatore ideale di tensione R = resistenza senza rumore 11

9 Rumore Termico (7) Qualche considerazione: v = 4kTRΔf Oggigiorno si realizzano degli amplificatori a cosi basso rumore che spesso le caratteristiche di rumore di un sistema sono determinate dal rumore termico Bisogna minimizzare la resistenza del sensore e non si devono aggiungere resistenze in serie Bisogna ridurre al minimo la banda passante 13

10 Shot Noise Nei transistor, nei diodi e nei tubi a vuoto esiste un ulteriore tipo di rumore dovuto al fatto che la corrente non e continua ma e trasportata in quantita discrete dai portatori di carica I i shot = qiδf q = C Proporzionale alla banda passante Spettro di potenza piatto in frequenza (bianco) Un esempio di shot noise: pioggia su un tetto di lamiera: le gocce arrivano tutte all incirca con la stessa energia, i cm/h di pioggia rappresentano la corrente e la superfice di tetto considerata la banda passante 14

11 1/f noise Questo tipo di rumore e presente in tutti i fenomeni di conduzione, e le sue origini sono molteplici e non completamente comprese Ad esempio, se i portatori di carica vengono intrappolati per un certo tempo e poi rilasciati, e se c e una distribuzione uniforme di queste costanti tempo si ottiene una distribuzione spettrale di potenza proporzionale a 1/f E solitamente trascurabile per conduttori e resistenze, debole nei transistor bipolari e importante nei transistor MOS. E minore nelle resistenze a film metallico rispetto a quelle al carbonio 15

12 Rumore nell elettronica dei rivelatori Rivelatore C d R p Elettronica Il rumore nel circuito di front-end di un rivelatore viene modellizzato con un generatore di tensione di rumore (serie), un generatore di corrente di rumore (parallelo). A questo va aggiunta la capacita del rivelatore e la sua resistenza di polarizzazione Generatore di carica ideale gnd Capacita (non e una sorgente di rumore) Componenti attivi e passivi (tutti sorgenti di rumore) Rivelatore C d R p e n i n Senza rumore gnd 17

13 Rumore nell elettronica dei rivelatori (7) ENC = α 4kT 3g m C τ d s 4kT + β τ s R p 3

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