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Aug 11, 2023

Conceitos de Figura de Ruído - Ganho de Potência, Componentes com Perdas e Sistemas em Cascata

O conceito de fator de ruído é razoavelmente intuitivo, que é caracterizar

O conceito de fator de ruído é razoavelmente intuitivo, que consiste em caracterizar a degradação no SNR (relação sinal-ruído) à medida que o sinal passa pelo componente. No entanto, várias sutilezas estão ocultas na definição da figura de ruído que às vezes não é destacada o suficiente. Uma complexidade que deve ser totalmente compreendida é que o valor da figura de ruído é especificado para uma resistência de fonte conhecida (normalmente 50 Ω) a uma temperatura padrão de 290 K.

Neste artigo, discutiremos outra sutileza importante, a saber, o tipo de ganho de potência usado na definição da figura de ruído. Posteriormente, veremos a figura de ruído de componentes com perdas, bem como sistemas em cascata.

O fator de ruído (F) é definido como a razão entre o SNR na entrada e o SNR na saída:

\[F=\frac{\frac{S_i}{N_i}}{\frac{S_o}{N_o}}\]

Onde:

Substituindo So = GASi produz a seguinte equação alternativa:

\[F=\frac{N_o}{G_A N_i}\]

Onde GA é o ganho de potência disponível do circuito.

A seguir, vamos dar uma olhada na definição do ganho de potência disponível.

A Figura 1 ilustra como o ganho de potência disponível de um módulo para uma dada impedância de fonte ZS = RS + jXS é calculado.

Assuma que a impedância de entrada e saída do módulo é ZIn = RIn + jXIn e Zout = Rout + jXout. Conforme mostrado na Figura 1(a), podemos conectar a saída do módulo a uma carga de correspondência conjugada — ou seja, ZL = Rout - jXout — e medir a potência fornecida à carga, PL. Como a saída é conjugada, PL é a potência disponível da rede PAVN.

Outra quantidade necessária é a potência disponível da fonte PAVS. Esta é a potência que a fonte entrega ao complexo conjugado de ZS, conforme ilustrado na Figura 1(b). A relação de PAVN para PAVS é definida como o ganho de potência disponível do módulo GA:

\[G_A = \frac{P_{AVN}}{P_{AVS}}\]

O ganho disponível depende de ZS, mas não de ZL. Isso ocorre porque a impedância de carga é, por definição, uma correspondência conjugada complexa da impedância de saída do módulo e, portanto, já está definida pela impedância de saída do módulo. Lembre-se de que o ganho disponível é responsável pela incompatibilidade entre a fonte e a entrada do DUT (dispositivo em teste).

Na definição da figura de ruído (Equação 1), Si é a potência disponível da fonte de sinal e So é a potência de saída que pode ser fornecida a uma carga correspondente. Portanto, a relação So/Si atende à definição de ganho de potência disponível. Lembre-se de que existem várias definições diferentes de ganho de potência no trabalho de RF, como ganho de potência do transdutor e ganho de potência de inserção. Se usarmos um ganho de potência diferente do ganho disponível em nossos cálculos de NF, obteremos uma aproximação do valor real de NF. Por exemplo, métodos práticos de medição de figuras de ruído geralmente determinam o ganho de inserção do DUT. O uso do ganho de inserção em vez do ganho disponível pode introduzir erros em nossas medições de figura de ruído.

Vale ressaltar também que o ganho disponível é útil quando se trata de uma cascata de estágios. O ganho global disponível de uma cascata é igual ao produto dos ganhos individuais disponíveis. Para encontrar o ganho disponível da cascata, o ganho disponível de cada estágio deve ser especificado para uma impedância de fonte igual à impedância de saída do estágio anterior.

Ao projetar sistemas de RF, ocasionalmente achamos necessário introduzir perda em um ponto específico da cadeia de sinal. Por exemplo, em aplicações de teste e medição, podemos reduzir a incerteza de incompatibilidade por meio de atenuadores. Um circuito passivo que atenua o sinal deve ter resistência física, e sabemos que os resistores produzem ruído térmico. Portanto, atenuadores passivos degradam o desempenho do SNR. Vamos ver como podemos determinar a figura de ruído desses componentes. Como exemplo, considere um atenuador tipo T de 6 dB projetado para um sistema de 50 Ω, conforme figura abaixo (Figura 2).