Parametri del noise
Il noise ha diverse origini, quello che interessa e’ capire quanto forte e’ questo noise, ci sono due strade: se il noise e’ completamente caratterizzato si puo’ usare il metodo della matrice di correlazione, nel dominio della frequenza.
Un metodo pratico e spesso preferibile e quello di rappresentare il noise di un circuito riferito al noise termico.
Un resitore rumoroso puo’ essere rappresentato o da un generatore di tensione ( Thevenin ) o da un generatore di corrente( Norton)
€
vn2 = 4kTRΔf
€
in2 = 4kTΔf / R
L’equivalenza tra una sorgente di noise termico ed una sorgente di noise non-termico richiede che entrambi forniscano la stessa potenza.
Due modi:
- si puo’ tenere la T uguale alla temperatura del sistema fisico e variare la
resistenza( conduttanza). In questo m odo si introduce il concetto di resistenza di noise equivalente ( o conduttanza)
- si puo’ tenere la R uguale al valore del sistema e modificare la temperatura per raggiungere il livello di noise voluto, temperatura di noise equivalente.
Importante e’ che il noise fornito dalla sorgente non termica sia un white noise.
Potenza e Bandwidth Potenza normalizzata.
Indicato con V il valore (rms) effettivo del segnale v(t) applicato ad un resistore R, la potenza dissipata e’
€
P = V2
R = RI2 I e’ il valore (rms) effettivo
della corrente in R
La potenza normalizzata e’ la potenza dissipata in un resistore di 1 Ohm, significa che e’ numericamente uguale a V2 o I2, e poiche’
€
V2 = (Vrms)2 = 1
T v2(t)dt
0 T
∫ si deduce che la potenza normalizzata e’ numericamente uguale al
valore quadratico medio del segnale, cioe’
€
P = v2 = i2
Nel caso di noise termico la potenza dissipata da una conduttanza G e’
€
Pav = I2 = 4kTG
Potenza disponibile ( available)
Con questo termine si indica la massima potenza che puo’ essere trasferita dalla sorgente ad un load ad una specifica frequenza.
Sia una sorgente con resistenza interna RS e un carico aggiustabile RL, la potenza assorbita dal carico e’
€
PL = RL
(RL + RS)E2
Si vede che il massimo di potenza si ha per RL = RS, in questo caso il load e’
accordato ( matched) e meta’ della potenza della sorgente e’ trasferita al Load, mentre l’altra meta’ e’ dissipata all’interno della sorgente.
Il massimo quindi e’ la potenza available
€
Pa = Max(PL) = E2
4Rs = I2 4Gs
Il thermal noise di un unico resistore ha potenza available
€
Pa = 4kTRΔf
4R = kTΔf [W]
Per un diodo, se il load del diodo e’ puramente resistivo ed e’ accordato alla sua conduttanza interna per piccoli segnali la potenza available e’
€
Pa = kTΔf / 2 [W]
Guadagno di potenza disponibile
Il guadagno di potenza disponibile Ga e’ il rapporto della potenza disponibile dal terminale di output alla potenza disponibile dal generatore di input.
€
Pa = Pao Pag
Nel caso di una rete a due porte, con in input una sorgente sinusoidale di resistnza interna Rs e tensione E ed in output con una resistenza Ro e tensione di output Eo
Secondo la definizione, il guadagno di potenza e’
€
Pa = Pao
Pag = Eo2/ 4Ro
E2/ 4Rs = Av2 Rs Ro
da cui si vede come il guadagno di potenza disponibile dipende solo dalla resistenza interna della sorgente e dalla resistenza interna della rete ( che fissa il valore di Eo).
Noise bandwidth
Per definizione bandwidth e’ il range di frequenze per cui la performance del circuito sta in certi limiti.
Per amplificatori o circuiti tuned la bandwidth, B, e’ dafinita dai punti dove la risposta e 3dB meno che il punto di riferimento ( 0.707 voltage rms).
Se la risposta in frequenza e’ una curva simmetrica il centro f0 e’ relazionato alle frequenze di cutoff bassa ed alta dalla relazione
€
f0 = flfh
con una certa approssimazione si prende
€
f0 ≅ (fl + fh) / 2
Per il noise si parla di bandwidth equivalente di noise che e’:
la bandwidth di un circuito ideale ( con caratteristica rettangolare di transfer di potenza ) tale che la potenza di noise trasmessa e’ uguale a quella trasmessa dal circuito attuale
In questo modo, l’equivalenza tra la potenza totale di noise e la potenza totale di noise trasmessa dalla bandwidth equivalente e’ stabilita.
€
Ptot = G0kTΔf = kT G(f)df
0 +∞
∫ da cui
€
Δf = 1
G0 G(f)df
0 +∞
∫
Convenzionalmente la noise bandwidth e’ determinata graficamente,
in pratica si misura il guadagno dell’amplificatore , Av, verso la frequenza, supponendo che il massimo guadagno sia Avo si puo’ calcolare
€
Δf = 1
Avo2 | Av(f)2 | df
0 +∞
∫
tenedo conto che guadagno in potenza e’ proporzionale al quadrato del guadagno di tensione
Amplificatori multistadi Il noise bandwidth (
€
Δf), si e’ visto, e’ diverso dal classico bandwidth (B) -3dB che si usa per gli amplificatori. Praticamente negli amplificatori multistadi si usa B al posto di
€
Δf per il noise,
€
B ≈ Δf.
Stima dell’errore con l’approssimazione si puo’ avere dalla relazione tra le due quantita’. Per una serie di m stadi amplificanti identici, ciascuno aventi n poli distinti, l’espressione e’
€
Δf = B 21/n −1
1 1 + x2 n
m
dx
0
∞
∫
Si nota dalle tabelle come per m (n) maggiore di 4 il noise bandwithd e’ quasi uguale al -3dB bandwidth, senza perdere di accuratezza.
Parametri di noise di una porta lineare
Una porta noisy e’ modellata come un resistore noisy ed una sorgente non-noisy.
€
S(En) = | Z |2S(In) con En = ZIn
essendo Z l’impedenza GUARDANDO nei terminali della porta.
Se una porta fornisce una tensione quadratica media di noise
€
vn2, allora la resistenza equivalente di noise Rn e’ definita come il valore di un ipotetico resistore che
mantenuto alla temperatura di referenza T0=290K, produrra’ lo stesso ammontare di noise come l’attuale porta
€
Rn = vn2 / 4kT0Δf Resistenza equivalente
Corrente equivalente di noise
Il teorema di Schottky dice che il valore qaudratico medio della corrente di noise di un diodo saturato e’
€
i
n2= 2qI
dΔf
con Id corrente media diretta del diodo, Questa espressione stabilisce una equivalenza tra il noise one0port e quello del diodo
Temperatura di noise
Ci sono molte definizioni: quella della IEEE definisce la temperatura di noise ad una coppia di terminali ed ad una specifica frequenza come la temperatura di un sistema passivo con una potenza di noise disponibile per unita’ di bandwidth uguale a quella disponibile agli attuali terminali.
per qualsiasi porta la definizione diventa: la temperatura di noise di una porta ad una frequenza fissa e’ il rapporto della densita’ di potenza scambiabile divisa per la costante di Boltzmann
€
T = Pe / Δf
k = 7.25 ⋅1022 Pe Δf
Calcolo per porte interconnesse
€
4kT1G1 + 4kT2G2 = 4kTG con Gi = Re(Yi), i =1,2
€
T = G1T1 + G2T2
G1 + G2
per connessione in parallelo
€
G = G1 + G2
poiche’