Guadagno, temperatura e figura di rumore - cascata di quadripoli
In questa pagina 5
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 . Se al suo ingresso c'è una sorgente (per esempio un'antenna) con rumore a temperatura , la densità di potenza di rumore all'ingresso è e all'uscita, per il solo rumore della sorgente, .
Ma il quadripolo aggiunge del rumore proprio . 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, , riferita all'ingresso: La densità di potenza totale all'uscita è
Figura di rumore
Un altro modo di dare la stessa informazione è la figura di rumore (o cifra di rumore) : quanto rumore si trova in uscita rispetto a quello che ci sarebbe se il quadripolo fosse ideale, con la sorgente alla temperatura di riferimento K: Poiché , ( dB per un quadripolo ideale); si dà di solito in dB. Con una sorgente a la temperatura efficacesomma della temperatura della sorgente e di quella del quadripolo: determina il rumore totale è .
| dB | dB | dB | dB | dB | dB | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| lineare | ||||||
| K | K | K | K | K | K |
Quadripoli passivi (resistori, cavi: nessun amplificatore). Alla temperatura la potenza si conserva, il rumore in uscita è e quello della sorgente attenuata , per cui Un cavo con dB di attenuazione ha dB. Se il quadripolo è a una temperatura : .
Cascata di quadripoli
Due quadripoli in cascata (guadagni , temperature , figure ):
- i guadagni si moltiplicano: (in dB si sommano);
- il rumore all'uscita è : il rumore proprio del secondo stadio non è amplificato da , per cui, riferito all'ingresso, pesa .
Si ottiene un quadripolo equivalente con e, con stadi,
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 (basso ) e alto guadagno . 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 K ha un'antenna con guadagno dB. Due amplificatori: con dB () e dB (); con dB () e dB (). 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 , 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 , crescente in ):
- : ( dB), K;
- : ( dB), K.
È meglio : il rumore è volte più basso (), cioè SNR migliore di dB.
2. Cavo prima o dopo l'amplificatore a basso rumore. Un cavo con dB (a ) e un LNAamplificatore a basso rumore (low noise amplifier), da mettere per primo nella catena con dB e dB (). LNA prima del cavo: ( dB). Cavo prima dell'LNA: il cavo ha e : ( dB). Per questo l'LNA si monta a ridosso dell'antenna, prima del cavo: dB in meno di rumore.
3. Tre stadi. LNA ( dB, dB), mixer ( dB, dB), amplificatore a frequenza intermedia ( dB, dB): ( 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 più basso in fondo alla catena: il rumore degli stadi successivi è diviso per il guadagno prima di sé.
- Dimenticare nella formula di Friis per la cascata.
- Usare : è ( solo con sorgente a ).
Versione ripasso
- Rumore aggiunto: . Temperatura efficace .
- Figura di rumore: , , K, (in dB). dB K, , , , K. Con : .
- Passivo a : (cavo 3 dB dB); a : .
- Cascata: ; ; . L'ordine conta: primo il migliore (basso , alto ).
- Esempi: : ; invertiti ( vs K, dB). LNA prima del cavo da 3 dB: dB; dopo: dB.
- Errori tipici: sommare in dB; senza il ; .
Esercizi su questo argomento
- Esercizio 15 · cavo di riserva per un collegamento radio e amplificatore in ricezione (tema d'esame febbraio 2026)
- Esercizio 16 · quadripoli in cascata, figura di rumore e ordine degli amplificatori (foglio di esercizi sui mezzi di trasmissione)
- Esercizio 17 · linea con attenuazione che cresce con la radice della frequenza (foglio di esercizi sui mezzi di trasmissione)
- Esercizio 18 · potenza di rumore trasferita a un carico adattato e disadattato (foglio di esercizi sui mezzi di trasmissione)