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Note per Studenti Guadagno, temperatura e figura di rumore - cascata di quadripoli

Guadagno, temperatura e figura di rumore - cascata di quadripoli

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Guadagno e rumore di un quadripolo

Un quadripolo (amplificatore, filtro, cavo, il front-end di un ricevitore: Bipoli, doppi bipoli e adattamento di impedenzaUn generatore con impedenza $Z_S$ che alimenta un carico $Z_L$ trasferisce la massima potenza se $Z_L=Z_S^$ (adattamento): la densità di potenza elettrica è $p_L(f)=\mathcal P_{v}(f)\frac{R_L}{\lvert Z_L+Z_S\rvert^2}$ e vale $\frac{\mathcal P_v}{4R_S}$ nel caso adattato. Il rumore termico di una resistenza ha $\mathcal P_w(f)=2kTR_S$ e, adattato, trasferisce $\frac12kT$ W/Hz. Un doppio bipolo (quadripolo) è adattato se $Z_1=Z_S^$ e $Z_L=Z_2^*$; il guadagno in potenza $g=\frac{P_{out}}{P_{in}}$ coincide con $\lvert G_{ch}\rvert^2$ e in dB è il doppio del guadagno in ampiezza.Bipoli, doppi bipoli e adattamento di impedenza →) ha guadagno in potenza g(f)=PoutPing(f)=\frac{P_{out}}{P_{in}}. Se al suo ingresso c'è una sorgente (per esempio un'antenna) con rumore a temperatura TST_S, la densità di potenza di rumore all'ingresso è 12kTS\frac12kT_S e all'uscita, per il solo rumore della sorgente, 12kTSg\frac12kT_Sg.

Ma il quadripolo aggiunge del rumore proprio Pw,out(A)(f)P^{(A)}_{w,out}(f). Per descriverlo si usa lo stesso trucco della temperatura: si finge che il quadripolo sia ideale e che il rumore aggiunto sia dovuto a una temperatura in più, TA(f)T_A(f), riferita all'ingresso: Pw,out(A)=12kTA g⇒TA(f)=Pw,out(A)(f)12kg(f).P^{(A)}_{w,out}=\tfrac12kT_A\,g\qquad\Rightarrow\qquad T_A(f)=\frac{P^{(A)}_{w,out}(f)}{\frac12kg(f)}. La densità di potenza totale all'uscita è Pw,out=12kTSg+12kTAg=12k Teff g,Teff=TS+TA(temperatura efficace).P_{w,out}=\tfrac12kT_Sg+\tfrac12kT_Ag=\tfrac12k\,T_{eff}\,g,\qquad\boxed{T_{eff}=T_S+T_A\quad(\text{temperatura efficace}).}

Figura di rumore

Un altro modo di dare la stessa informazione è la figura di rumore (o cifra di rumore) FF: quanto rumore si trova in uscita rispetto a quello che ci sarebbe se il quadripolo fosse ideale, con la sorgente alla temperatura di riferimento TS=T0=290T_S=T_0=290 K: F(f)=Pw,out(f)Pw,outRIF(f)=1+TA(f)T0⟺TA=T0 (F−1).F(f)=\frac{P_{w,out}(f)}{P^{RIF}_{w,out}(f)}=1+\frac{T_A(f)}{T_0}\quad\Longleftrightarrow\quad\boxed{T_A=T_0\,(F-1).} Poiché TA≥0T_A\ge0, F≥1F\ge1 (00 dB per un quadripolo ideale); FF si dà di solito in dB. Con una sorgente a T0T_0 la temperatura efficacesomma della temperatura della sorgente e di quella del quadripolo: determina il rumore totale è Teff=T0+T0(F−1)=T0FT_{eff}=T_0+T_0(F-1)=T_0F.

FF 11 dB 33 dB 66 dB 1010 dB 1717 dB 2020 dB
FF lineare 1,261{,}26 2,002{,}00 3,983{,}98 10,010{,}0 50,150{,}1 100100
TA=T0(F−1)T_A=T_0(F-1) 7575 K 289289 K 865865 K 26102610 K 14 24414\,244 K 28 71028\,710 K

Quadripoli passivi (resistori, cavi: nessun amplificatore). Alla temperatura T0T_0 la potenza si conserva, il rumore in uscita è 12kT0\frac12kT_0 e quello della sorgente attenuata 12kT0 g\frac12kT_0\,g, per cui F=1g=a(figura di rumore=attenuazione in lineare).F=\frac1g=a\qquad(\text{figura di rumore}=\text{attenuazione in lineare}). Un cavo con 33 dB di attenuazione ha F=3F=3 dB. Se il quadripolo è a una temperatura T1≠T0T_1\ne T_0: F=1+T1T0(a−1)F=1+\frac{T_1}{T_0}(a-1).

Cascata di quadripoli

Due quadripoli in cascata (guadagni g1,g2g_1,g_2, temperature T1,T2T_1,T_2, figure F1,F2F_1,F_2):

  • i guadagni si moltiplicano: gtot=g1g2g_{tot}=g_1g_2 (in dB si sommano);
  • il rumore all'uscita è 12k(TS+T1)g1g2+12kT2g2\frac12k\left(T_S+T_1\right)g_1g_2+\frac12kT_2g_2: il rumore proprio del secondo stadio non è amplificato da g1g_1, per cui, riferito all'ingresso, pesa 1g1\frac1{g_1}.

Si ottiene un quadripolo equivalente con Teq=T1+T2g1,Feq=F1+F2−1g1\boxed{T_{eq}=T_1+\frac{T_2}{g_1},\qquad F_{eq}=F_1+\frac{F_2-1}{g_1}} e, con NN stadi, Teq=T1+T2g1+T3g1g2+⋯ ,Feq=F1+F2−1g1+F3−1g1g2+⋯+FN−1g1⋯gN−1.T_{eq}=T_1+\frac{T_2}{g_1}+\frac{T_3}{g_1g_2}+\cdots,\qquad F_{eq}=F_1+\frac{F_2-1}{g_1}+\frac{F_3-1}{g_1g_2}+\cdots+\frac{F_N-1}{g_1\cdots g_{N-1}}.

L'ordine è rilevante (solo i guadagni sono commutativi): il rumore del primo stadio viene sommato per intero, quello dei successivi è diviso per i guadagni precedenti. Quindi in prima posizione deve andare il dispositivo migliore: bassa TAT_A (basso FF) e alto guadagno g1g_1. In generale c'è un compromesso tra i due requisiti.

Grafico interattivo: Figura di rumore (in dB) di una cascata di due stadi in funzione del guadagno g1 (in dB) del primo, con F1 = 3 dB e F2 = 10 dB: F = F1 + (F2 − 1)/g1. Con g1 grande il secondo stadio quasi non conta e F tende a F1 = 3 dB

Esempi

1. Quale amplificatore per primo (foglio di esercizi). Una sonda spaziale a 100100 K ha un'antenna con guadagno 2020 dB. Due amplificatori: A1A_1 con g1=5g_1=5 dB (3,163{,}16) e F1=5F_1=5 dB (3,163{,}16); A2A_2 con g2=8g_2=8 dB (6,316{,}31) e F2=7F_2=7 dB (5,015{,}01). Si vuole il massimo SNR di riferimento sull'ingresso. Il guadagno totale è lo stesso in entrambi gli ordini, quindi il segnale in uscita non cambia: si minimizza il rumore kTeffBkT_{eff}B, cioè la figura di rumorerapporto tra il rumore in uscita e quello che ci sarebbe con un quadripolo ideale, con sorgente a 290 K (con Teff=TS+T0(F−1)T_{eff}=T_S+T_0(F-1), crescente in FF):

  • A1→A2A_1\to A_2: F=3,16+5,01−13,16=4,43F=3{,}16+\frac{5{,}01-1}{3{,}16}=4{,}43 (6,466{,}46 dB), Teff=100+290⋅3,43=1095T_{eff}=100+290\cdot3{,}43=1095 K;
  • A2→A1A_2\to A_1: F=5,01+3,16−16,31=5,35F=5{,}01+\frac{3{,}16-1}{6{,}31}=5{,}35 (7,297{,}29 dB), Teff=100+290⋅4,35=1363T_{eff}=100+290\cdot4{,}35=1363 K.

È meglio A1→A2A_1\to A_2: il rumore è 1,241{,}24 volte più basso (13631095\frac{1363}{1095}), cioè SNR migliore di 0,950{,}95 dB.

2. Cavo prima o dopo l'amplificatore a basso rumore. Un cavo con a=3a=3 dB (a T0T_0) e un LNAamplificatore a basso rumore (low noise amplifier), da mettere per primo nella catena con g=20g=20 dB e F=2F=2 dB (1,5851{,}585). LNA prima del cavo: F=1,585+2−1100=1,595F=1{,}585+\frac{2-1}{100}=1{,}595 (2,032{,}03 dB). Cavo prima dell'LNA: il cavo ha g1=12g_1=\frac12 e F1=2F_1=2: F=2+1,585−10,5=3,17F=2+\frac{1{,}585-1}{0{,}5}=3{,}17 (5,05{,}0 dB). Per questo l'LNA si monta a ridosso dell'antenna, prima del cavo: 33 dB in meno di rumore.

3. Tre stadi. LNA (g=25g=25 dB, F=1F=1 dB), mixer (g=−6g=-6 dB, F=8F=8 dB), amplificatore a frequenza intermedia (g=30g=30 dB, F=4F=4 dB): Feq=1,26+6,31−1316+2,51−1316⋅0,25=1,295F_{eq}=1{,}26+\frac{6{,}31-1}{316}+\frac{2{,}51-1}{316\cdot0{,}25}=1{,}295 (1,121{,}12 dB). I due stadi successivi quasi non contano: il primo domina.

Errori comuni

  • Sommare le figure di rumore in dB (si sommano le figure lineari pesate).
  • Mettere il dispositivo con FF più basso in fondo alla catena: il rumore degli stadi successivi è diviso per il guadagno prima di sé.
  • Dimenticare F−1F-1 nella formula di Friis per la cascata.
  • Usare TA=T0FT_A=T_0F: è TA=T0(F−1)T_A=T_0(F-1) (Teff=T0FT_{eff}=T_0F solo con sorgente a T0T_0).

Versione ripasso

  • Rumore aggiunto: Pw,out(A)=12kTAgP^{(A)}_{w,out}=\frac12kT_Ag. Temperatura efficace Teff=TS+TAT_{eff}=T_S+T_A.
  • Figura di rumore: F=1+TAT0F=1+\frac{T_A}{T_0}, TA=T0(F−1)T_A=T_0(F-1), T0=290T_0=290 K, F≥1F\ge1 (in dB). 11 dB →75\to75 K, 3→2893\to289, 6→8656\to865, 10→261010\to2610, 17→14 24417\to14\,244 K. Con TS=T0T_S=T_0: Teff=T0FT_{eff}=T_0F.
  • Passivo a T0T_0: F=a=1gF=a=\frac1g (cavo 3 dB ⇒F=3\Rightarrow F=3 dB); a T1T_1: F=1+T1T0(a−1)F=1+\frac{T_1}{T_0}(a-1).
  • Cascata: gtot=∏gig_{tot}=\prod g_i; Teq=T1+T2g1+T3g1g2+…T_{eq}=T_1+\frac{T_2}{g_1}+\frac{T_3}{g_1g_2}+\dots; Feq=F1+F2−1g1+F3−1g1g2+…F_{eq}=F_1+\frac{F_2-1}{g_1}+\frac{F_3-1}{g_1g_2}+\dots. L'ordine conta: primo il migliore (basso FF, alto gg).
  • Esempi: A1(5,5)→A2(8,7)A_1(5,5)\to A_2(8,7): F=4,43F=4{,}43; invertiti 5,355{,}35 (Teff=1095T_{eff}=1095 vs 13631363 K, 0,950{,}95 dB). LNA prima del cavo da 3 dB: 2,032{,}03 dB; dopo: 5,05{,}0 dB.
  • Errori tipici: sommare FF in dB; FF senza il −1-1; TA=T0FT_A=T_0F.

Esercizi su questo argomento

Teoria collegata