了解如何使用 Y 因子方法測量噪聲系數(shù) (NF)。我們將深入研究如何使用它來查找噪聲因子、如何校準(zhǔn)噪聲溫度等等。

NF 指標(biāo)使我們能夠表征 RF 組件和系統(tǒng)的噪聲性能。進(jìn)行準(zhǔn)確的 NF 測量的能力可以為芯片制造商帶來巨大的美元價(jià)值，因?yàn)樾枰獪?zhǔn)確的測量來保證優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品真正滿足指定的噪聲性能，從而可以高價(jià)出售。因此，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)數(shù)十年來為改進(jìn)噪聲系數(shù)測量方法進(jìn)行了大量研究時(shí)，我們應(yīng)該不會(huì)感到驚訝。一種流行的技術(shù)是 Y 因子方法，這是本文的重點(diǎn)。

使用雙端口設(shè)備進(jìn)行噪聲系數(shù)測量

考慮一個(gè)連接到源電阻 R 的雙端口設(shè)備，溫度為 T，如下圖 1 所示。

圖 1.連接到源電阻的雙端口設(shè)備圖。

總輸出噪聲 No與源電阻溫度 T 的關(guān)系如圖 2 所示。

圖 2.顯示總輸出噪聲與源電阻溫度的關(guān)系圖。

如果 RS是無噪聲的——即 T = 0 K——出現(xiàn)在輸出端的唯一噪聲將是被測設(shè)備的噪聲，用 No(added)表示。當(dāng)我們提高 R S的溫度時(shí)，它的噪聲貢獻(xiàn)會(huì)增加。求出器件的噪聲系數(shù)，其實(shí)就等同于求出上面的“噪聲線”。指定直線有兩種方法：通過位于直線上的兩個(gè)點(diǎn)；或通過一個(gè)點(diǎn)和直線的斜率。Y 因子方法實(shí)際上測量噪聲線的兩個(gè)點(diǎn)，并使用該信息來找到被測設(shè)備 (DUT) 的噪聲因子。另一種噪聲系數(shù)測量方法是冷源法通過找到線上的單個(gè)點(diǎn)以及線的斜率 (kBG) 來確定噪聲因子。

考慮到這一點(diǎn)，讓我們來看看 Y 因子方法。

使用 Y 因子方法查找噪聲因子

圖 3 顯示了 Y 因子方法的基本框圖。

圖 3.Y 因子方法的框圖。

要找到噪聲線的兩個(gè)不同點(diǎn)，我們需要對輸入應(yīng)用兩個(gè)不同的噪聲電平。所需的輸入

噪聲功率是通過將兩個(gè)溫度分別為 Tc 和 Th 的匹配電阻器連接到DUT的輸入端來產(chǎn)生的。對于 Y 因子方法，更容易通過 DUT 的等效噪聲溫度Te對 DUT 的噪聲性能進(jìn)行建模。如果 DUT 添加的輸出噪聲為 No(added)，則其噪聲溫度由下式給出：

其中 k 是玻爾茲曼常數(shù)，B 和 G 是 DUT 的帶寬和可用功率增益。通過組件的噪聲溫度對組件的噪聲進(jìn)行建模，我們可以輕松找到兩個(gè)輸入噪聲水平的輸出噪聲。等式 1 給出了Th處熱源的輸出噪聲功率。

等式 1。

同樣，冷源的輸出噪聲 Tc可通過公式 2 求出。

等式 2。

在上面的方程組中：

Te和產(chǎn)品 BG 未知

眾所周知，兩個(gè)輸入 Th 和 T c 的噪聲溫度具有高精度

Nh和 Nc是測量值

如果我們用方程式 1 除以方程式 2，BG 項(xiàng)就消失了，我們得到方程式 3。

等式 3。

這個(gè)比率被稱為 Y 因子。使用一點(diǎn)代數(shù)，上面的等式在等式 4 中給出了 DUT 的噪聲溫度。

等式 4。

有了 Te，我們可以應(yīng)用以下等式來找到噪聲因子：

校準(zhǔn)步驟——校準(zhǔn)噪聲和接收機(jī)噪聲溫度

Y 因子方法原則上很簡單。然而，在實(shí)踐中，有一些復(fù)雜的問題需要特別注意。這些錯(cuò)綜復(fù)雜的問題之一是測量設(shè)備增加的噪音。這在下面的圖 4 中進(jìn)行了說明。

圖 4.顯示噪聲放大器和噪聲測量接收器的框圖。

如上圖所示，測得的輸出噪聲功率 Nh和 Nc受測量設(shè)備噪聲的影響。換句話說，通過將 Nh和 Nc代入方程式 3 和 4，我們實(shí)際上是在計(jì)算由 DUT 和測量設(shè)備組成的兩級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲溫度。應(yīng)用Friis 方程，兩級(jí)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲溫度給出方程 5。

等式 5。

在哪里：

TDUT和 TReceiver是 DUT 和測量設(shè)備的噪聲溫度

GDUT是 DUT 的可用功率增益

當(dāng) DUT 增益超過 30 dB 時(shí)，我們可以忽略來自第二級(jí)的噪聲并假設(shè) Tcas? TDUT。但是，當(dāng)不滿足此條件時(shí)，我們必須使用校準(zhǔn)步驟來糾正第二階段產(chǎn)生的錯(cuò)誤。在校準(zhǔn)步驟中，噪聲源直接連接到“噪聲測量接收機(jī)”，并應(yīng)用 Y 因子法確定接收機(jī)的噪聲溫度（圖 5）。

圖 5.顯示 Y 因子方法適用于查找接收器噪聲溫度的方框圖。

將冷熱噪聲功率施加到測量設(shè)備上，我們從校準(zhǔn)系統(tǒng)的噪聲線上得到兩個(gè)點(diǎn)，Nh, cal和 Nc, cal。現(xiàn)在我們可以找到校準(zhǔn)設(shè)置的 Y 因子：

通過重新整理上式，我們得到接收器噪聲溫度：

總而言之，校準(zhǔn)步驟（圖 5）測量儀器本身并確定 TReceiver。接下來，在 DUT 就位的情況下（圖 4），可以找到級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲溫度 Tcas 。最后，假設(shè) DUT 的增益已知，我們將 TReceiver和 Tcas代入等式 5 以獲得 TDUT。大多數(shù)情況下，DUT 的增益是未知的。然而，上述測量可用于輕松找到 GDUT。

計(jì)算被測設(shè)備增益

從測量設(shè)置中獲得的噪聲功率——圖 4 中的 Nh和 Nc——經(jīng)歷了 DUT 的增益；但是，Nh, cal和 Nc, cal沒有這種增益（圖 5）。因此，可以通過公式 6 估算GDUT 。

等式 6。

在之前的文章中，我們討論了噪聲系數(shù)定義中使用的功率增益是可用功率增益 GA。應(yīng)該注意的是，我們從等式 6 中獲得的功率增益不等于 GA。為了區(qū)分這兩個(gè)功率量，公式 6 給出的功率稱為插入增益。這將在下一篇文章中更詳細(xì)地討論。

插入增益——使用二極管實(shí)現(xiàn)噪聲源

為了產(chǎn)生所需的輸入噪聲水平，我們可以在精確控制的物理溫度下使用兩個(gè)匹配的電阻器。例如，冷噪聲源可以通過將電阻器浸入液氮（Tc= 77 K）或液氦（Tc= 4 K）中獲得。傳統(tǒng)上，熱電阻器被放置在沸水或冰水中。早期的噪聲源依賴于調(diào)整源電阻器的物理溫度，而今天的有源噪聲源通常使用二極管或電子管來提供經(jīng)過校準(zhǔn)的噪聲電平。圖 6 顯示了基于二極管的噪聲源的簡化框圖。

圖 6.基于二極管的噪聲源的簡化框圖。

當(dāng)連接 28 V 電源時(shí)，二極管反向偏置到雪崩區(qū)，產(chǎn)生大量噪聲。另一方面，當(dāng)電源斷開時(shí)，輸出端只會(huì)出現(xiàn)少量噪聲。RF 扼流圈 (RFC) 只是一個(gè)足夠大的電感器，可以在所有相關(guān)頻率下被視為開路。衰減器幫助我們降低失配不確定性.它確保無論二極管是導(dǎo)通還是關(guān)斷，噪聲源在輸出端都表現(xiàn)出相對恒定、定義明確的匹配。雖然噪聲二極管的物理溫度為室溫，但它會(huì)產(chǎn)生異常“熱”的噪聲水平。例如，在 10,000 K 的范圍內(nèi)，高于任何已知金屬的熔點(diǎn)。現(xiàn)代噪聲源產(chǎn)生的噪聲隨時(shí)間穩(wěn)定，頻率范圍寬，反射系數(shù)低。

過大的噪聲比公式

過高的噪聲比 (ENR) 是表征有源噪聲源產(chǎn)生的噪聲的常用方法。以分貝為單位的 ENR 定義為：

在哪里：

Th和 Tc是噪聲源在其 ON 和 OFF 狀態(tài)下的噪聲溫度

T0是 290 K 的參考溫度

請注意，ENR 的早期定義是：

該定義基于 Tc等于 T0的假設(shè)。在我們的測量中通常不會(huì)出現(xiàn)這種情況。然而，噪聲源制造商提供的校準(zhǔn) ENR 值通常以 T0= 290 K 為參考。例如，如果 ENR 指定為 15 dB，則我們有 T h= 9460.6 K。商業(yè)噪聲最常見的 ENR 值源是 5、6 和 15 dB。也有 ENR 值較高的噪聲源，例如 25 dB，但 ENR 值高于 15 dB 的噪聲源的可用性是有限的。

本文編譯來自：llaboutcircuits

審核編輯：湯梓紅