Il Rumore nei componenti elettronici Elettronica per Telecomunicazioni - 1.2 2/18/2018 Il Rumore nei componenti elettronici A prescindere dal rumore additivo presente nei segnali, i circuiti elettronici sono essi stessi Sorgenti di Rumore. Questo è principalmente dovuto alla natura non continua, ma quantistica della corrente. Questo rumore determina: Un limite inferiore per i segnali in ingresso. Un limite superiore per i guadagni di segnale. © 2002 DDC

Amplificatori “discreti” Elettronica per Telecomunicazioni - 1.2 2/18/2018 Amplificatori “discreti” LNA (low noise amplifier) amplificatori di ingresso RX: - basso rumore - ampia dinamica Il primo gruppo di argomenti riguarda amplificatori di vario tipo, oscillatori, mixer, e fa riferimento al Capitolo 1 del testo. La prima lezione tratta di amplificatori ad ampio segnale e accordati realizzati a componenti discreti. Circuiti di questo tipo sono presenti nel front-end a RF di ricezione e trasmissione. © 2002 DDC

Il Rumore nei componenti elettronici Elettronica per Telecomunicazioni - 1.2 2/18/2018 Il Rumore nei componenti elettronici Sorgenti di rumore Rumore equivalente in ingresso Rapporto segnale-rumore Range dinamico Fattore e figura di rumore © 2002 DDC

Elettronica per Telecomunicazioni - 1.2 2/18/2018 Sorgenti di rumore Rumore granulare (“shot”) Rumore termico Rumore “flicker” Rumore “burst” Rumore per effetto valanga Sono valori approssimati © 2002 DDC

Modello del Diodo Rumore “shot”: schematizzazione del modello a piccolo segnale del Diodo

Modello di Resistenza Rumore Termico: associato al moto termico dei portatori Rappresentazione alternativa: serie o parallelo

Rumore “Flicker” I è una corrente continua K1 è una costante caratteristica di un particolare dispositivo a è una costante compresa nell’intervallo 0.5 – 2 b è una costante di valore circa unitario E’ sempre connesso ad un flusso di corrente. E’ legato alle trappole nella struttura cristallina del semiconduttore. E’ evidente che il rumore flicker è importante soprattutto alle basse frequenze, sebbene in alcuni dispositivi esso può essere dominante fino a frequenze nel campo dei MHz.

Il rumore “burst” I è una corrente continua K2 è una costante caratteristica di un particolare dispositivo c è una costante compresa nell’intervallo 0.5 – 2 fc è una particolare frequenza costante caratteristica di un determinato processo di rumore

Rumore equivalente in ingresso Si trasferiscono in ingresso tutti i generatori di rumore. Attenzione però alle correlazioni!! Per il calcolo della potenza di rumore di uscita è necessari conoscere l’impedenza di terminazione d’ingresso Zs

Modello con rete di Thevenin e di Norton Se trasformo alla Thevenin o alla Norton dove:

Calcolo della potenza di rumore La potenza di rumore in ingresso vale: Lo spettro del rumore in uscita è:

Calcolo della potenza di rumore essendo SVi dato dalla partizione tra Zi e Zs: Per ottenere la potenza di rumore in uscita si integra su tutta la banda E per confrontare con i livelli di segnale si passa al “RMS”

Rapporto Segnale Rumore Entrambe sono misurate agli stessi morsetti di potenza e di ampiezza

Range dinamico = - 10 log(PN) Il range dinamico è definito dal valore del segnale per cui rapporto segnale rumore è pari a 0 dB. siccome Range dinamico = - 10 log(PN)

Cifra di rumore (NF) (Il Fattore di rumore è solamente il valore in dB del NF) è definito da se la rete è non rumorosa F = 1 altrimenti oppure

Fattore e figura di rumore Con n reti in cascata si dimostra che: L’ennesima rete è poco influente

Due Esempi Caso 1: Ftot=3+5-1 = 7 1 Caso 2: Ftot=5+2-1 = 5,001 100 Consideriamo un ricevitore composto da un filtro e da un amplificatore; Il Filtro presenta guadagno unitario e cifra di rumore uguale a 3 L’amplificatore guadagna 10 e la sua cifra di rumore è 5. Conviene la sequenza: 1) Antenna-Filtro- Amplificatore Oppure 2) Antenna- Amplificatore-Filtro? Caso 1: Ftot=3+5-1 = 7 1 Caso 2: Ftot=5+2-1 = 5,001 100

Secondo Esempio Se si usa il Pre-Amp Abbiamo una catena in ricezione con: Antenna-Pre Amp-Linea T-Circuiteria adattata. Il Pre Amp è caratterizzato da Guadagno di potenza 20dB e Figura di Rumore 6dB La linea T ha guadagno di potenza -3dB e Figura di Rumore 3dB La circuiteria a valle ha guadagno 90dB e Cifra di Rumore di 13 dB Se si usa il Pre-Amp La figura di rumore è pari a 6,42db, pari ad una Cifra di Rumore di circa 4,39 Se non si usa il Pre-Amp La Figura di Rumore sale a 16,02dB, pari ad una Cifra di Rumore di 40 (10 volte maggiore!!!)

Amplificatore singolo stadio Emettitore Comune BJT VDD RC vo RS VS

Modello a piccolo segnale rb B’ B C + v r r Cπ π π o - g m v π E

Rumore in un transistore bipolare dove termico shot + flicker + burst shot

Rumore in un transistore bipolare Riportando le sorgenti in ingresso C’è correlazione fra i due generatori: dipendono entrambi da Ic !! Ma il secondo dipende dalle frequenze

Rumore in un transistore bipolare A basse frequenze la corrente di base prevale sulla corrente di collettore nello spettro di corrente. Per determinare: quanto basse; basta valutare la frequenza per cui:

Calcolo del Fattore di rumore di un BJT Che può essere analizzato con gli spettri di potenza

Ricordiamo cosa abbiamo ottenuto. Rumore in componenti Ricordiamo cosa abbiamo ottenuto.

Calcolo del Fattore di rumore di un BJT Quindi sostituendo le espressioni si ottiene

Reti Loss-Less Sappiamo che la condizione migliore di funzionamento di circuiti in cascata è l’adattamento; adottiamo allora una strategia di adattamento mediante RETE LOSS-LESS

Reti Loss-Less Se la rete Loss-less adatta abbiamo Che determina Che non può essere più piccola di 3/2. In termini di Figura di Rumore=1.7dB. E’ UN LIMITE INFERIORE Si deve cambiare strategia

Reti Loss-less Ricordiamo l’espressione del fattore di rumore: Dipende dalla sorgente Minimizzando rispetto a Rs otteniamo un valore ottimo:

Minimizzazione del Fattore di Rumore Espressione di Rs che minimizza F da cui dipende dal prodotto gm rb

Disegniamo la curva FMin al variare della densità di corrente Minimizzazione di Fo Disegniamo la curva FMin al variare della densità di corrente dove è un nuovo parametro di progetto per il transistore

Sorgenti di rumore in MOS Anche i transistori MOS esibiscono rumore termico. Il più significativo generatore di rumore è riconducibile al rumore generato nel canale. Quando il MOS è polarizzato in pinch-off il rumore termico di canale può essere rappresentato da un generatore di corrente equivalente posto fra Drain e Source con densità spettrale: Con γ un coefficiente pari a 2/3 per MOS a canale lungo, ma maggiore per MOS a canale corto (ad esempio è 2.5 per canali lunghi 0.25μm).

Sorgenti di rumore in MOS Rumore Flicker nel MOS Dovuto a difettosità del canale per l’interfaccia Si-SiO2 questa aliquota di rumore può essere modellata con un generatore equivalente di tensione in serie con la Gate. Il valore della sua densità spettrale è: Dove K dipende dal processo di fabbricazione ed è dell’ordine di 10-25 V2F, con banda di 1 Hz. Il legame è inversamente proporzionale a WL, quindi si tende a progettare componenti ad ampia area di Gate.