Principali sorgenti di rumore elettronico

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Agnella Ranieri
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1 Principali sorgenti di rumore elettronico Rumore termico - E sempre presente quando esistono fenomeni di dissipazione di potenza associata ad una grandezza elettrica (tensione o corrente) - Distribuzione della ampieza: GAUSSIANA a valor medio nullo - Densità spettrale: costante (rumore bianco) G(f) = Densità spettrale della potenza disponibile (=K. T) f

2 Rumore granulare (shot noise) E tipico delle giunzioni PN polarizzata direttamente; è dovuto alla natura discreta dei portatori di carica e si manifesta come variazione casuale della corrente I di polarizzazione (continua). Distribuzione della ampiezza GAUSSIANA a valor medio I Spettro costante (rumore bianco) G(f) Principali sorgenti di rumore elettronico = Densità spettrale di potenza (=q. I) f

3 Principali sorgenti di rumore elettronico Rumore 1/f (flicker noise) 1. E tipico dei semiconduttori (dovuto a contaminazioni e difetti della struttura cristallina) e dei resistori a carbone.. E caratterizzato dalla concentrazione dell energia alle basse frequenze. Spettro di potenza: a I G f K W / Hz b f K: dipende dal processo di fabbricazione Ia: corrente continua 0.5 b: 1 Nota: La distribuzione della ampiezza non sempre è GAUSSIANA

4 Caratterizzazione del rumore nei dispositivi attivi a microonde P Nout P Nin Doppio Bipolo Z L N DB = Potenza di rumore aggiunta in uscita dal Doppio Bipolo N DB L amplificatore aggiunge in generale potenza di rumore sul carico. Per definire quantitativamente l incremento di rumore sul carico prodotto dall amplificatore si definisce la figura di rumore NF: NF PNout G P a Nin P Nout èla potenza totale di rumore in uscita e G a. P Nin è quella che si avrebbe nel caso di doppio bipolo ideale (che non introduce rumore) con guadagno disponibile di potenza G a. NF é funzione della frequenza e dell impedenza del generatore ( S )

5 Andamento di NF al variare di S NF dipende dall impedenza della sorgente (cioé da S ) secondo l espressione seguente: min min s s NF ( NF) min 4rn 1 1 Significato dei parametri (NF) min = Minimo valore ottenibile della figura di rumore) min = Valore ottimo di S che rende minima NF r n = resistenza normalizzata di rumore Questi parametri dipendono tutti dalla frequenza e sono in disponibili per i dispositivi attivi commerciali (si possono introdurre nei file sp).

6 Luogo dei punti ad NF=cost sulla Carta di Smith Il luogo dei punti del piano S per cui NF rimane costante è un cerchio con raggio e centro dati da: C F min 1 N i, r F 1 1 N i N i N i 1 m con N i dato da: N i NF ( NF ) 4r n min 1 min

7 Figura di rumore totale in una cascata di stadi amplificatori G a1, N F1 G a, N F G a3, N F3 NF 1 NF 1 1 G G G 3 NF NF TOT a1 a1 a Solo i primi stadi determinano le prestazioni di rumore di una catena di amplificatori NOTA: In generale il valore di S che rende minima la figura di rumore non coincide con il valore che rende massimo G T ; la scelta del S da assegnare al primo stadio risulta quindi da un compromesso tra le due esigenze (bassa NF, alto guadagno)

8 Progetto di uno stadio amplificatore a basso rumore s risulta da un compromesso tra G T ed NF. Sulla carta di Smith di s si tracciano alcuni cerchi a NF=cost e G a =cost, e si sceglie s,opt nelle regioni 1 o in figura. Tenendo conto che NF diminuisce al diminuire dei raggi mentre G a diminuisce al crescere del raggio, si ha: Cerchi a NF=cost NF NF1 G a1 G a Cerchio di Instabilità del gen. In 1 NF NF 1 e G a G a Si previlegia quindi NF NF min 1 In NF NF e G a G a1 Si previlegia quindi G a Cerchi a Ga=cost Una volta fissato s,opt, si calcola L,opt imponendo adattamento in uscita (così G T =G a )

9 Esempio di progetto Specifiche amplificatore Banda di Frequenza GHz Guadagno minimo 10.5 db Figura di rumore massima 1.5 db Dati del substrato r =.54 H= mm t = 35 Dati del transistor Modello: MGF193 Mitsubishi (Mesfet su GaAs) Guadagno max a 6.5 GHz: 15 db (con NF=3.4 db) Figura di rumore minima 1.1 db (con Gt=8.66 db) Topologia: TLIN SUBCKT NET="transistor" 1 TLIN TLOC TLOC Rete MATCH ingresso Rete MATCH uscita

10 Reti di polarizzazione del transistor Tensione Vgs Tensione Vds Questo è un possible schema di polarizzazione del transistor. Corto circuito per la RF Circuito aperto per la RF NOTA: I parametri S forniti dal costruttore si riferiscono alle sezioni indicate in rosso. Il progetto deve utilizzare I parametri calcolati alle sezioni effettive del circuito che include le reti di polarizzazione. Sezione di ingresso Sezione di uscita Condensatori di blocco per la DC

11 Effetto delle reti di polarizzazione MLEF ID= TL14 W= mm L= mm MLEF ID= TL16 W= mm L= mm MLIN ID= TL1 5 W= 0. mm L= 0.5 mm MSUB Er=.54 H= mm Rho= T= mm 1 Tand= 0 ErNom=. Name= SUB1 MLI N ID= TL17 W= 0. mm L= 0.5 mm MRSTUB ID= TL3 Ri= mm Ro= mm Theta= 60 De g 3 1 MT EE$ ID= TL MTEE$ ID= TL MRSTUB ID= TL4 Ri= mm Ro= mm Theta= 60 Deg MLIN ID= TL10 W= mm L= mm CAP ID= C1 C= 15 pf MCTRACE ID= TL13 W= 0. mm R= L= mm 5 mm 3 MLI N ID= TL5 W= 1.4 mm L= 0.5 mm SUBCKT ID= S1 NET= "MGF193" MLIN ID= TL6 W= 1.4 mm L= 0.5 mm 3 MCTRACE ID= TL1 W= 0. mm R= L= mm 5 mm MLI N ID= TL7 W= 1.4 mm L= 0.9 mm MTEE$ ID= TL8 MTEE$ ID= TL 11 MLIN ID= TL9 W= 1.4 mm L= 0.5 mm CAP ID= C C= 15 pf MLIN ID= TL1 W= 1.4 mm L= 1 mm Parametri S s11 s K MSG (db) Solo transistor Transistor + rete Cambiano le fasi dei parametri S!

12 Andamento di S1 10 Graph 5 DB( S(,1) ) Test_transi stor GHz db S1 6.8 GHz db Frequency (GHz)

13 Parametri S del transistor polarizzato Frequenza: 6.8 GHz

14 Scelta di S per il massimo guadagno Load L(Opt) : (0.771, ) Gen. G T : db NF: 3.36 S(Opt) : (0.68, 173.5)

15 Determinazione di S e L Load NF=1.5 db Source X L X s G T = 10.7 db L = S = Ga=10.5 db

16 Rete di adattamento in ingresso 107 x s x LOAD ID= Z1 Z= 50 Ohm TLIN ID= TL1 Z0= 50 Ohm EL= Deg F0= GHz TLOC ID= TL Z0= 50 Ohm EL= Deg F0= GHz PORT P= 1 Z= 50 Ohm S

17 Rete di adattamento in uscita x L TLIN ID= TL1 Z0= 50 Ohm EL= Deg F0= GHz PORT P= 1 Z= 50 Ohm 96.3 LOAD ID= Z1 Z= 50 Ohm TLOC ID= TL Z0= 50 Ohm EL= Deg F0= GHz x L

18 Schema elettrico dell amplificatore completo MLEF ID=TL4 W=3.5 mm L=.43 mm MLIN ID=TL6 W=1.386 mm L=1 mm 3 MLIN ID=TL1 W= mm L=1.47 mm SUBCKT ID=S1 NET="transistor" MTEE$ ID=TL8 MLIN ID=TL7 W=1.387 mm L=1 mm PORT P=1 Z=50 Ohm MTEE$ ID=TL5 1 1 MLIN ID=TL3 W=0.364 mm L=1.617 mm 1 3 PORT P= Z=50 Ohm MSUB Er=.54 H=0.508 mm T=0.035 mm Rho=1 Tand=0 ErNom=. Name=SUB1 MLEF ID=TL9 W=1.443 mm L=4.96 mm

19 Layout dell amlificatore Tensione Vgs Tensione Vds

20 Risposta ottimizzata dell amplificatore Risposta Ampli DB(GT()) (L) Ampli DB(NF()) (R) Ampli Frequency (GHz)

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