FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
La comprensione dell’origine del rumore nei sistemi a radiofrequenza diventa sempre più vitale al crescere dell’affollamento dello spettro radio e della complessità degli schemi di modulazione. Ridurre il rumore presente in un ricevitore televisivo satellitare può avere un impatto sulla qualità del segnale ricevuto comparabile con l’aumento del diametro dell’antenna parabolica, ma ad costo molto inferiore.
Questo articolo si concentra sulla misura del rumore prodotto dall’elettronica interna al sistema. Tipicamente tale rumore è di tipo termico, dovuto alle vibrazioni dei portatori di carica, e di tipo shot, dovuto alla natura discreta del flusso di carica.
Vi sono vari modi per comprendere la qualità di un ricevitore radio, come la sua sensibilità o il tasso di errore che garantisce nel decodificare i segnali digitali. Una caratteristica chiamata figura di rumore può misurare l’impatto delle varie componenti di rumore, offrendo ai progettisti un modo affidabile di esplorare i compromessi inevitabili (ad esempio tra il progetto dell’amplificatore e le prestazioni dei transistori) per soddisfare le specifiche prestazionali del sistema.
La figura di rumore F di un componente o sistema è il rapporto tra il rapporto segnale/rumore (S/N) all’ingresso e quello in uscita.
La figura di rumore è indipendente dal guadagno dell’amplificatore e dall’ampiezza del segnale in ingresso (finché l’amplificatore lavora in modalità lineare).
Tuttavia, la maggiore parte degli amplificatori aggiungono il proprio rumore al segnale. Inoltre la figura di rumore di un sistema dipende anche dalla temperatura della sorgente che lo sta pilotando.
Generalmente la figura di rumore è anche funzione della frequenza, ma è indipendente dalla banda passante. Si esprime normalmente in unità logaritmica: 10·log(F).
Diverse problematiche influenzano il modo in cui si eseguono le misure. Tra queste vi sono:
Figura 1: Nel caso di una impedenza di ingresso alla temperatura dello zero assoluto, la potenza di rumore in uscita sarebbe solo dovuta al rumore Na aggiunto dal dispositivo in provaLa potenza di rumore all’uscita di un bipolo lineare dipende linearmente dalla potenza di rumore in ingresso, cioè dalla sua temperatura, come mostrato in figura 1.
Se sono noti la pendenza di questa retta ed un punto di riferimento, è possibile ricavare la potenza di uscita corrispondente ad una potenza di ingresso Na.
A partire da Na, la figura di rumore o la temperatura di rumore equivalente in ingresso possono essere calcolate.
Un modo per determinare la pendenza della curva di rumore è applicare due diverse quantità di rumore in ingresso tramite una sorgente di rumore e misurare la variazione della potenza in uscita.
Le sorgenti di rumore sono spesso realizzate con dei diodi a bassa capacità che generano rumore quando vengono polarizzati inversamente con una corrente costante.
Figura 2: Le sorgenti di rumore della serie SNS di Keysight includono un sensore di temperaturaI generatori di rumore di precisione come quelli della serie SNS di Keysight dispongono anche di un attenuatore in uscita che offre un basso rapporto di onda stazionaria per minimizzare gli errori di disadattamento.
Per eseguire misure di rumore, una sorgente deve avere un’ampiezza del rumore in uscita calibrata, nota come rapporto di rumore in eccesso (ENR).
Ciascuna sorgente viene fornita con il proprio valore di tale rapporto, salvato in una memoria non volatile negli strumenti della serie SNS. Quando i generatori di rumore sono impiegati a temperature diverse da 290K, di norma le misure devono essere termicamente compensate.
Le sorgenti della serie SNS includono un sensore di temperatura che può essere letto dagli analizzatori della serie NFA di Keysight.
Il metodo del fattore Y consiste nel connettere una sorgente di rumore al dispositivo in prova e misurare la potenza di uscita del rumore con la sorgente accesa e poi spenta. Il rapporto tra queste due potenze è chiamato fattore Y.
L’accuratezza del livello relativo di misura è importante. Uno dei vantaggi dei moderni analizzatori della figura di rumore è che il rivelatore interno di potenza è molto lineare e può misurare con precisione le variazioni di ampiezza.
Il fattore Y ed il rapporto ENR possono essere usati per trovare la pendenza della retta del rumore del dispositivo in prova, come mostrato in figura 1. Dato che il valore calibrato di ENR della sorgente rappresenta il livello di riferimento per il rumore in ingresso, è possibile derivare un’equazione per ricavare il rumore Na interno al dispositivo in prova.
Da questo si ottiene poi un’espressione per il fattore di rumore totale del sistema FSYS che rappresenta il contributo di rumore di tutte le parti del sistema.
Quando la figura di rumore è molto maggiore del ENR, il rumore del dispositivo tende a mascherare la sorgente di rumore ed il fattore Y tende a 1. Dato che è difficile misurare accuratamente dei piccoli rapporti, il metodo del fattore Y non viene usato quando la figura di rumore supera di oltre 10 dB il valore ENR della sorgente di rumore.
L’equazione che definisce il fattore Y può anche essere elaborata per correggere le situazioni in cui la temperatura “a freddo” Tc della sorgente di rumore non è pari alla temperatura di riferimento T0 = 290 K.
Questo approccio prevede la misura della potenza di uscita con l’ingresso del dispositivo terminato con un carico alla temperatura di circa 290K.
Quindi, un generatore di segnali viene connesso al dispositivo e la potenza del segnale generato viene impostata in maniera da creare un incremento di 3 dB della potenza di uscita del dispositivo in prova. Se la potenza di uscita del generatore e la banda di misura sono note, è possibile calcolare il fattore di rumore del dispositivo.
Vi sono delle limitazioni in questo approccio. La banda di rumore dello strumento di misura della potenza deve essere nota, probabilmente costringendo all’impiego un analizzatore di reti. La potenza di uscita deve essere misurata in termini di potenza vera, dato che sono presenti sia segnali di rumore che continui.
I bolometri misurano la potenza vera molto accuratamente ma possono richiedere molta amplificazione per leggere piccoli segnali e filtri di definizione della banda. Gli analizzatori di spettro offrono una buona sensibilità e una banda passante ben definita, ma il rivelatore al loro interno può rispondere in maniera diversa a segnali costanti rispetto al rumore.
In questo approccio la potenza di uscita del dispositivo viene misurata con una terminazione all’ingresso alla temperatura di circa 290 K. Se il guadagno del dispositivo e la banda di rumore dello strumento di misura sono noti, il fattore di rumore può essere determinato.
Come nel caso precedente, la banda di rumore deve essere nota ed il dispositivo di misura della potenza deve essere estremamente sensibile. Però, diversamente dal metodo a potenza doppia, il guadagno del dispositivo in prova deve essere noto e lo strumento di misura deve essere in grado di misurare correttamente valori assoluti e non solamente rapporti.
Un analizzatore della figura di rumore contiene un ricevitore con un accurato rivelatore che legge la potenza in ingresso ed un circuito per alimentare la sorgente di rumore. Esso consente di inserire il valore di ENR e può visualizzare la figura di rumore alla frequenza alla quale è sintonizzato. Esso calcola la figura di rumore con il metodo del fattore Y.
Figura 3: Analizzatore della figura di rumore Keysight della serie NFA
Un analizzatore della figura di rumore può normalmente visualizzare lo spettro in frequenza della figura di rumore ed i diagrammi del guadagno, con cursori e linee di limite.
Gli analizzatori di spettro e segnali possono essere arricchiti con programmi aggiuntivi ed un controllore per la misura della figura di rumore usando i metodi descritti precedentemente. L’applicativo per effettuare misure della figura di rumore disponibile per gli analizzatori di segnali della serie X permette di ottenere misure della figura di rumore e del guadagno molto simili a quelle degli analizzatori dedicati della serie NFA.
Questi analizzatori, sebbene dotati di amplificatori interni, non hanno una figura di rumore dello strumento così bassa come quella di un NFA dedicato. Di conseguenza, per misurare dispositivi a guadagno molto basso è meglio usare un NFA o aggiungere un preamplificatore esterno a basso rumore.
Gli analizzatori di reti sono largamente impiegati come strumenti multifunzione e consentono di effettuare anche alcune misure della figura di rumore.
Normalmente possono anche misurare il guadagno del dispositivo e l’adattamento. Alcuni sono un po’ limitati nella misura di rumore dato che, se usano un ricevitore a doppia banda laterale, la figura di rumore viene misurata a due frequenze diverse e poi corretta.
Si tratta di un metodo che funziona per bande strette, ma può costituire un problema per bande passanti più ampie.
Un problema che si incontra negli strumenti di misura della figura di rumore tradizionali, come l’analizzatore di spettro, è la impossibilità di compensare la presenza di altri elementi nella catena di misura, come i cavi e gli adattatori.
L’analizzatore della figura di rumore prevede alcune modalità di compensazione, ma sono puramente scalari e rischiano di aumentare l’incertezza dell’intera misura. Grazie alle loro funzionalità di calibrazione vettoriale, gli analizzatori di reti sono in grado di eseguire tali correzioni molto accuratamente.
Le tecniche di misura includono i parametri s e la correzione di adattamento della sorgente, per consentire la messa a punto di un banco che può misurare le caratteristiche di rumore di un dispositivo, compensando gli errori introdotti dal setup di misura stesso.
Un test set per parametri di rumore è normalmente costituito dalla combinazione, coordinata tramite uno specifico software, di un analizzatore di reti vettoriale e di un analizzatore di rumore, per eseguire misure che consentano di caratterizzare i parametri di rumore del dispositivo.
Una sorgente di rumore viene accoppiata al test set per effettuare misure della figura di rumore per varie impedenze della sorgente.
Il test set include un tuner che presenta varie impedenze al dispositivo in prova. Le impedenze corrispondenti delle sorgenti sono misurate con un analizzatore di reti.
Da questi dati, tutti i parametri di rumore del dispositivo, inclusi la minima figura di rumore del dispositivo e l’impedenza della sorgente ottimale e l’effetto dell’impedenza della sorgente sul rumore, possono essere calcolati. Un approccio simile può essere usato per determinare il guadagno. I parametri derivati da questo tipo di setup sono molto importanti, specialmente durante la fase di progettazione di un componente.
I misuratori di potenza e voltmetri a vero valore efficace possono essere impiegati per misurare la figura di rumore con i metodi illustrati sopra.
Essendo dispositivi a larga banda, devono essere completati da un filtro che restringa la loro banda al di sotto di quella del dispositivo in prova.
Tali filtri sono normalmente fissi in frequenza e consentono misure solo a tale frequenza. I wattmetri sono spesso utilizzati per misurare la figura di rumore dei ricevitori, nel caso in cui il ricevitore abbia una frequenza intermedia fissa ed un guadagno elevato.
*Giovanni D’Amore è Marketing Brand Manager di Keysight Technologies
