Strumento per la misura del rumore: il noise figure meter138

figure meter

Al giorno d’oggi la misura della cifra di rumore come detto si fa mediante stima, per esempio mediante un PNA-X, o con un analizzatore di spettro. Un tempo si utilizzavano strumenti specializzati in misure di questo genere. All’ingresso del sistema si ha un range di frequenze accettato dai 10 ai 1500 MHz; se si hanno frequenze superiori, si mette un convertitore. L’in-gresso di questo sistema `e sostanzialmente uguale a quello di un analizzatore di spettro, con davanti un amplificatore. Controllare bene la cifra di rumore del primo amplificatore della catena (il “input amplifier”) `e fondamentale, dal momento che essa determiner`a buona parte della cifra di rumore comp-lessiva. Andando avanti nella catena si ha dunque un mixer, uno YIG filter, e la frequenza della IF `e maggiore della frequenza di ingresso, proprio come in un analizzatore di spettro. Si ha dunque una seconda eterodina, a 300 MHz, una terza eterodina, a 20 MHz, e il noise power detector. La IF bandwidth finale, `e di 5 MHz (ampiezza del filtro passa banda finale, ossia della B della formula kBT B). Si ha quindi un voltmetro a singola integrazione, e dunque la misura della frequenza. Dalle specifiche si pu`o vedere che si ha un range di 30 dB, resolution di 0,01 dB, incertezza di 0,1 dB.

Qual `e la differenza tra questo strumento e un analizzatore di spettro? Sostanzialmente, il fatto che per questo non `e possibile variare la banda IF, la quale `e fissa ed `e pari a 5 MHz. In questo strumento inoltre si ha il noise soure drive output, al fine di avere la possibilit`a di attivare o meno il noise source, e quindi poter applicare il metodo hot/cold. L’input power detector serve ad avere un’idea della potenza, in maniera da regolare il controllo del guadagno ed evitare la saturazione del mixer. Il motivo per cui il filtro `e a banda larga (questi 5 MHz) `e per avere un po’ di potenza, dunque “mediare meglio”: pi`u la banda `e larga, pi`u “roba” prendo e dunque meglio medio: essendo rumore, per fare una caratterizzazione `e necessario avere pi`u potenza in ingresso all’elaborazione.

Capitolo 5

Caratterizzazione di dispositivi

di potenza

Precedentemente si `e gi`a parlato di misure di potenza, quando si `e parlato di power meters; a questo punto si vuole parlare ancora di misure di poten-za, per`o pi`u che altro focalizzandoci sulla caratterizzazione di dispositivi o sottosistemi di potenza, quali per esempio amplificatori di potenza.

Gli amplificatori di potenza, nelle classi pi`u “tradizionali”, possono essere di tre tipi: A, B, AB, C; di queste, la pi`u usata `e senza dubbio la classe AB, che garantisce una buona efficienza e un buon guadagno. I parametri che permettono di scegliere la classe di amplificazione sono il bias point e la retta di carico. Il fatto di usare sistemi non lineari, tuttavia, genera armoniche, e questo porter`a all’uso di carichi armonici, atti a cortocircuitare un certo numero di armoniche a massa. I carichi armonici avranno coefficienti di riflessione Γ con moduli molto elevati, e fasi che sostanzialmente dipendono dal transistore e dal package (ricordando che in un transistore non si ha solo la parte attiva, bens`ı anche la parte di parametri parassiti intrinseci, ossia propri del transistore come dispositivo, ed estrinseci, ossia dovuti al package). Tra i vari problemi che si hanno inoltre si ha l’effetto ginocchio: la zona di ginocchio de-idealizza il modello, introducendo una difficolt`a su di un problema gi`a complicato: nei modelli ideali si hanno transizioni istantanee tra regioni di non linearit`a e regioni di linearit`a; nella pratica, si ha un “ginocchio”, nel senso che la curva ha una transizione non brusca, la quale fa peggiorare la qualit`a della nostra caratterizzazione.

Misurare le forme d’onda della corrente dei transistori `e estremamente complicato, ed `e uno dei prodotti pi`u avanzati e sofisticati che si riesca a realizzare oggi, in termini di strumentazione; la complicazione deriva dal fatto che tutte queste misure sono fortemente dipendenti dalla posizione alla quale si fa la misura stessa, dunque al fatto che esse saranno vincolate a un

piano di riferimento opportuno.

I problemi non sono solo questi: i transistori presentano diversi tipi di non idealit`a; la prima delle non idealit`a potrebbe essere la non linearit`a non solo del generatore, ma anche della porta di ingresso; spesso i dispositivi inoltre non possono neanche essere considerati reciproci, essendo S12 6= 0.

5.1 Introduzione al load pull

Si `e parlato precedentemente di curva di carico come di uno dei parametri che permettono di scegliere la classe di funzionamento del nostro sistema di amplificazione. Sarebbe cosa buona dunque avere dei mezzi in grado di permetterci di misurare la migliore retta di carico sotto il punto di vista di alcune caratteristiche del sistema costituito dal transistore e dalle varie reti di adattamento, in modo da ottenere il miglior compromesso possibile con gli altri parametri.

Si hanno diversi tipi di load pull: il load pull tradizionale, per cui si modifica la condizione di carico alla porta di uscita; questo pu`o essere o alla fondamentale (quello pi`u tradizionale), o alle armoniche, nel senso che si pu`o scegliere di controllare le condizioni di carico sotto il punto di vista di armoniche superiori alla fondamentale. Cosa si fa sostanzialmente quando si fa load pull? L’idea `e: prima di tutto si impone una certa condizione di carico, dunque per ciascuna di esse si effettua uno sweep di potenza, e si ottiene un certo insieme di curve:

Ciascun pallino rosso in realt`a `e composto da un certo insieme di curve, che son quelle che si misurano con lo sweep, a una certa condizione di carico. Si parla di source pull oltre che di load pull, quando invece che la con-dizione di carico alla porta di uscita si controlla quella alla porta di ingresso. Le curve che possono essere plottate sono dei tipi pi`u disparati: la potenza di uscita al punto di compressione a 1 dB, la PAE, curve di intermodulazione, e si ottimizza nella seguente maniera: una volta fatto tutto ci`o che `e stato detto (definizione del carico e power sweep), si tracciano delle curve di liv-ello, ossia qualcosa di concettualmente simile ai cerchi a guadagno costante dove per`o le curve finali non saranno cerchi bens`ı “patate”, dette “curve di Cripps”, ossia i luoghi dei punti tali per cui, sulla carta di Smith, si ha una certa quantit`a (Pout o PAE o altro che sia) costante; il fatto di aver a che fare con non linearit`a comporta la distorsione dei cerchi in queste curve, ma l’idea `e sempre la stessa: identificando le curve a livello costante, si riesce a identificare il punto sulla carta di Smith, dunque il Γ, il carico, tale per cui si riesce ad ottimizzare una certa quantit`a.

Le curve di load pull, ossia le curve di Cripps, si potrebbero quasi predire a priori, mediante la teoria (per quanto essa sia molto complicata), a partire dalle curve DC; il fatto che i transistori tuttavia presentano elementi paras-siti comporta problemi sotto questo punto di vista. In un LDMOS, uno dei dispositivi pi`u interessanti da analizzare con questo tipo di tecniche (essendo dispositivi di potenza e dunque non lineari), quasi tutto `e lineare (ovvia-mente, a parte il generatore di corrente); il package per`o continua a essere sconosciuto, quindi o si riesce a determinare una modellistica per il package, o non si pu`o predire nulla con la teoria. Per fare la modellistica del package di solito quello che si fa `e caratterizzare un die senza transistore (ossia il solo package) mediante i parametri scattering, dunque un solo transistore (senza package), quindi si identifica il modello.

Esistono banchi di load pull basati sostanzialmente su tre sistemi:

• basati sui power meter (o sui network analyzer scalari, che per`o non si utilizzano pi`u);

• basati sui VNA;

• basati sulla misura delle forme d’onda nel dominio del tempo.

Nel mondo ci sono circa 2000 sistemi per effettuare misure di load pull; di questi, 50 sono realizzati mediante VNA, dieci o meno su sistemi time domain based, i restanti con power meters.