Compreendendo a especificação da figura de ruído de RF

Em aplicações de RF, geralmente lidamos com sinais muito fracos que podem ser facilmente obscurecidos pelo ruído gerado em nossos circuitos. O nível de ruído determina, em última análise, o sinal mínimo que pode ser detectado de forma confiável pelo receptor. Portanto, a caracterização de ruído de componentes e sistemas de RF é fundamental. Em nosso artigo introdutório sobre uma figura de ruído, aprendemos como essa métrica é usada para caracterizar o desempenho de ruído de componentes de RF.

Agora que estamos familiarizados com os conceitos básicos, podemos dar uma olhada mais de perto na definição da figura de ruído e discutir algumas sutilezas que às vezes não são destacadas o suficiente. Isso deve ajudá-lo a evitar interpretações errôneas desta especificação.

O fator de ruído (F) de um circuito pode ser definido como:

\[F=\frac{N_o}{GN_i}\]

Onde:

Embora esta explicação esteja correta e, na verdade, explicações semelhantes sejam fornecidas em algumas referências, como a 4ª edição do livro amplamente utilizado "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits" de Paul R. Gray, ele não fornece todos os detalhes de a definição de figura de ruído. De acordo com a definição do IEEE, Ni é a potência de ruído térmico disponível do resistor da fonte a uma temperatura de T0 = 290 K° (ou 16,85 °C). Essa temperatura é um pouco mais fria do que uma temperatura ambiente confortável; no entanto, às vezes é chamada de temperatura ambiente no trabalho de RF.

Além disso, a definição do IEEE afirma que No é a potência de ruído disponível na saída do dispositivo e G é o ganho de potência disponível do dispositivo. Os pontos principais aqui são a temperatura de referência da especificação T0 = 290 K°, bem como o descritor "disponível" usado para descrever todos os três parâmetros da equação Ni, No e G. No restante do artigo, Discutiremos em detalhes quais são as implicações da "potência de ruído disponível em T0 = 290 K".

O movimento aleatório de portadores de carga termicamente excitados se manifesta como ruído em resistores. Um resistor com ruído pode ser modelado adicionando uma fonte de tensão de ruído em série com o resistor sem ruído, conforme mostrado abaixo na Figura 1.

A fonte de tensão de ruído tem um PSD (densidade espectral de potência) de \( \overline {V_n^2} = 4 \space kTRB\), onde:

Na definição da figura de ruído, Ni é a potência máxima de ruído disponível do resistor da fonte. A questão agora é: qual é a potência máxima de ruído que o circuito da Figura 1(b) pode fornecer? Da teoria básica do circuito, sabemos que a potência máxima é transferida quando o resistor de carga é igual ao resistor de fonte. Portanto, o circuito a seguir (Figura 2) pode ser usado para encontrar a potência máxima de ruído disponível do resistor da fonte, RS.

Lembre-se de que usamos o valor RMS (raiz quadrada média) da fonte de ruído no diagrama acima. Como metade da tensão de ruído aparece na carga, a potência de ruído fornecida à carga correspondente, RL = RS, pode ser encontrada por:

\[\begin{eqnarray}P_{L} = \frac{V_{L}^2}{R_L} &=& \Grande ( {\frac{V_{n,rms}}{2}} \Grande) ^ 2 \times \frac{1}{R_L} \\&=& \frac{4kTR_SB}{4} \times \frac{1}{R_S} \\&=& kTB\end{eqnarray}\]

Este é um resultado importante para cálculos de figuras de ruído. Observe que a potência de ruído disponível é independente do valor do resistor. Seja um resistor de 1 mΩ ou um resistor de 1 MΩ, a potência de ruído disponível é kTB. Em uma largura de banda de 1 Hz, a potência de ruído disponível é kT. A definição da figura de ruído é baseada na potência de ruído disponível em T0 = 290 K. Expressando kT0 em dB, a potência de ruído disponível nesta temperatura de referência chega a -174 dBm/Hz, conforme calculado abaixo:

\[10 log \big ( kT_0 \big )=10 log \big ( 1,38 \times 10^{-23} \times 290 \big ) \approx -174 \text{ } dBm\]

Como a definição da figura de ruído é baseada em Ni = kT0B, ela especifica a quantidade relativa de ruído que está sendo adicionada ao sinal em relação a Ni. Considere a seguinte equação de figura de ruído que derivamos no artigo anterior: