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了解如何使用 Y 因子方法测量噪声系数 (NF)。我们将深入研究如何使用它来查找噪声因子、如何校准噪声温度等等。 NF 指标使我们能够表征 RF 组件和系统的噪声性能。进行准确的 NF 测量的能力可以为芯片制造商带来巨大的美元价值,因为需要准确的测量来保证优质产品真正满足指定的噪声性能,从而可以高价出售。因此,当我们发现数十年来为改进噪声系数测量方法进行了大量研究时,我们应该不会感到惊讶。一种流行的技术是 Y 因子方法,这是本文的重点。 使用双端口设备进行噪声系数测量考虑一个连接到源电阻 R 的双端口设备,温度为 T,如下图 1 所示。 总输出噪声 No与源电阻温度 T 的关系如图 2 所示。 如果 R S是无噪声的——即 T = 0 K——出现在输出端的唯一噪声将是被测设备的噪声,用 No( added)表示。当我们提高 R S的温度时,它的噪声贡献会增加。求出器件的噪声系数,其实就等同于求出上面的“噪声线”。指定直线有两种方法:通过位于直线上的两个点;或通过一个点和直线的斜率。Y 因子方法实际上测量噪声线的两个点,并使用该信息来找到被测设备 (DUT) 的噪声因子。另一种噪声系数测量方法是冷源法通过找到线上的单个点以及线的斜率 (kBG) 来确定噪声因子。 考虑到这一点,让我们来看看 Y 因子方法。 使用 Y 因子方法查找噪声因子图 3 显示了 Y 因子方法的基本框图。 要找到噪声线的两个不同点,我们需要对输入应用两个不同的噪声电平。所需的输入 噪声功率是通过将两个温度分别为 Tc 和 Th 的匹配电阻器连接到 DUT的 输入端来产生的。对于 Y 因子方法,更容易通过 DUT 的等效噪声温度T e对 DUT 的噪声性能进行建模。如果 DUT 添加的输出噪声为 No (added),则其噪声温度由下式给出:
其中 k 是玻尔兹曼常数,B 和 G 是 DUT 的带宽和可用功率增益。通过组件的噪声温度对组件的噪声进行建模,我们可以轻松找到两个输入噪声水平的输出噪声。 等式 1 给出了Th处热源的输出噪声功率。 同样,冷源的输出噪声 Tc可通过公式 2 求出。 在上面的方程组中: T e 和产品 BG 未知 众所周知,两个输入 Th 和 T c 的噪声 温度具有高精度 N h 和 N c 是测量值 如果我们用方程式 1 除以方程式 2,BG 项就消失了,我们得到方程式 3。 这个比率被称为 Y 因子。使用一点代数,上面的等式在等式 4 中给出了 DUT 的噪声温度。 有了 T e,我们可以应用以下等式来找到噪声因子: Y 因子方法原则上很简单。然而,在实践中,有一些复杂的问题需要特别注意。这些错综复杂的问题之一是测量设备增加的噪音。这在下面的图 4 中进行了说明。
如上图所示,测得的输出噪声功率 N h 和 N c受测量设备噪声的影响。换句话说,通过将 N h 和 N c代 入方程式 3 和 4,我们实际上是在计算由 DUT 和测量设备组成的两级级联系统的噪声温度。应用Friis 方程,两级级联系统的噪声温度给出方程 5。 在哪里: T DUT 和 T Receiver 是 DUT 和测量设备的噪声温度 G DUT 是 DUT 的可用功率增益 当 DUT 增益超过 30 dB 时,我们可以忽略来自第二级的噪声并假设 T cas ≃ T DUT。但是,当不满足此条件时,我们必须使用校准步骤来纠正第二阶段产生的错误。在校准步骤中,噪声源直接连接到“噪声测量接收机”,并应用 Y 因子法确定接收机的噪声温度(图 5)。 将冷热噪声功率施加到测量设备上,我们从校准系统的噪声线上得到两个点,N h, cal 和 N c, cal。现在我们可以找到校准设置的 Y 因子:
通过重新整理上式,我们得到接收器噪声温度: 总而言之,校准步骤(图 5)测量仪器本身并确定 T Receiver。接下来,在 DUT 就位的情况下(图 4), 可以找到级联系统的噪声温度 T cas 。最后,假设 DUT 的增益已知,我们将 T Receiver 和 T cas代 入等式 5 以获得 T DUT。大多数情况下,DUT 的增益是未知的。然而,上述测量可用于轻松找到 G DUT。 计算被测设备增益从测量设置中获得的噪声功率——图 4 中的 N h 和 N c—— 经历了 DUT 的增益;但是,N h, cal 和 N c, cal 没有这种增益(图 5)。因此, 可以通过公式 6 估算G DUT 。 等式 6。 在之前的文章中,我们讨论了噪声系数定义中使用的功率增益是可用功率增益 G A。应该注意的是,我们从等式 6 中获得的功率增益不等于 G A。为了区分这两个功率量,公式 6 给出的功率称为插入增益。这将在下一篇文章中更详细地讨论。 插入增益——使用二极管实现噪声源为了产生所需的输入噪声水平,我们可以在精确控制的物理温度下使用两个匹配的电阻器。例如,冷噪声源可以通过将电阻器浸入液氮(T c = 77 K)或液氦(T c = 4 K)中获得。传统上,热电阻器被放置在沸水或冰水中。早期的噪声源依赖于调整源电阻器的物理温度,而今天的有源噪声源通常使用二极管或电子管来提供经过校准的噪声电平。图 6 显示了基于二极管的噪声源的简化框图。
当连接 28 V 电源时,二极管反向偏置到雪崩区,产生大量噪声。另一方面,当电源断开时,输出端只会出现少量噪声。RF 扼流圈 (RFC) 只是一个足够大的电感器,可以在所有相关频率下被视为开路。衰减器帮助我们降低失配不确定性. 它确保无论二极管是导通还是关断,噪声源在输出端都表现出相对恒定、定义明确的匹配。虽然噪声二极管的物理温度为室温,但它会产生异常“热”的噪声水平。例如,在 10,000 K 的范围内,高于任何已知金属的熔点。现代噪声源产生的噪声随时间稳定,频率范围宽,反射系数低。 过大的噪声比公式过高的噪声比 (ENR) 是表征有源噪声源产生的噪声的常用方法。以分贝为单位的 ENR 定义为:
在哪里: T h 和 T c 是噪声源在其 ON 和 OFF 状态下的噪声温度 T 0 是 290 K 的参考温度 请注意,ENR 的早期定义是: 该定义基于 T c 等于 T 0的假设。在我们的测量中通常不会出现这种情况。然而,噪声源制造商提供的校准 ENR 值通常以 T 0 = 290 K 为参考。例如,如果 ENR 指定为 15 dB,则我们有 T h = 9460.6 K。商业噪声最常见的 ENR 值源是 5、6 和 15 dB。也有 ENR 值较高的噪声源,例如 25 dB,但 ENR 值高于 15 dB 的噪声源的可用性是有限的。 本文编译来自:llaboutcircuits ![]() 今天小编带来了:ISSCC2023套餐,里面有文章、Short Course、PPT、Tutorial等,同学可以拿回去自己学习研究。 ![]() 1、深入理解SerDes(Serializer-Deserializer)之一 2、深入理解SerDes(Serializer-Deserializer)之二 3、科普:深入理解SerDes(Serializer-Deserializer)之三 4、资深工程师的ESD设计经验分享 5、干货分享,ESD防护方法及设计要点! 6、科普来了,一篇看懂ESD(静电保护)原理和设计! 7、锁相环(PLL)基本原理 及常见构建模块 8、当锁相环无法锁定时,该怎么处理的呢? 9、高性能FPGA中的高速SERDES接口 10、什么是毫米波技术?它与其他低频技术相比有何特点? 11、如何根据数据表规格算出锁相环(PLL)中的相位噪声 12、了解模数转换器(ADC):解密分辨率和采样率 13、究竟什么是锁相环(PLL) 14、如何模拟一个锁相环 15、了解锁相环(PLL)瞬态响应 16、如何优化锁相环(PLL)的瞬态响应 17、如何设计和仿真一个优化的锁相环 18、锁相环(PLL) 倍频:瞬态响应和频率合成 19、了解SAR ADC 20、了解 Delta-Sigma ADC 21、什么是数字 IC 设计? 22、什么是模拟 IC 设计? 23、什么是射频集成电路设计? 24、学习射频设计:选择合适的射频收发器 IC 25、连续时间 Sigma-Delta ADC:“无混叠”ADC 26、了解电压基准 IC 的噪声性能 27、数字还是模拟?I和Q的合并和分离应该怎么做? 28、良好通信链路性能的要求:IQ 调制和解调 29、如何为系统仿真建模数据转换器? 30、干货!CMOS射频集成电路设计经典讲义(Prof. Thomas Lee) 31、使用有效位数 (ENOB) 对 ADC 进行建模 32、以太网供电 (PoE) 的保护建议 33、保护高速接口的设计技巧 34、保护低速接口和电源电路设计技巧 35、使用互调多项式和有效位数对 ADC 进行建模 36、向 ADC 模型和 DAC 建模添加低通滤波器 37、揭秘芯片的内部设计原理和结构 38、Delta-Sigma ADCs中的噪声简介(一) 39、Delta-Sigma ADCs中的噪声简介(二) 40、Delta-Sigma ADCs 中的噪声简介(三) 41、了解Delta-Sigma ADCs 中的有效噪声带宽(一) 42、了解Delta-Sigma ADCs 中的有效噪声带宽(二) 43、放大器噪声对 Delta-Sigma ADCs 的影响(一) 44、放大器噪声对 Delta-Sigma ADCs 的影响(二) 45、参考电压噪声如何影响 Delta Sigma ADCs 46、如何在高分辨率Delta-Sigma ADCs电路中降低参考噪声 47、时钟信号如何影响精密ADC 48、了解电源噪声如何影响 Delta-Sigma ADCs 49、运算放大器简介和特性 50、使用 Delta-Sigma ADCs 降低电源噪声的影响 51、如何设计带有运算放大器的精密电流泵 52、锁定放大器的基本原理 53、了解锁定放大器的类型和相关的噪声源 54、用于降低差分 ADC 驱动器谐波失真的 PCB 布局技术 55、干货!《实用的RFIC技术》课程讲义 56、如何在您的下一个 PCB 设计中消除反射噪声 57、硅谷“八叛徒”与仙童半导体(Fairchild)的故事! 58、帮助你了解 SerDes! 往期精彩课程分享1、免费公开课:ISCAS 2015 :The Future of Radios_ Behzad Razavi 2、免费公开课:从 5 微米到 5 纳米的模拟 CMOS(Willy Sansen) 3、免费公开课:变革性射频毫米波电路(Harish Krishnaswamy) 4、免费公开课:ESSCIRC2019-讲座-Low-Power SAR ADCs 5、免费公开课:ESSCIRC2019-讲座-超低功耗接收器(Ultra-Low-Power Receivers) 6、免费公开课:CICC2019-基于 ADC 的有线收发器(Yohan Frans Xilinx) 7、免费公开课:ESSCIRC 2019-有线与数据转换器应用中的抖动 8、免费公开课:ISSCC2021 -锁相环简介-Behzad Razavi 9、免费公开课:ISSCC2020-DC-DC 转换器的模拟构建块 10、免费公开课:ISSCC2020-小数N分频数字锁相环设计 11、免费公开课:ISSCC2020-无线收发器电路和架构的基础知识(从 2G 到 5G) 12、免费公开课:ISSCC2020-从原理到应用的集成变压器基础 13、免费公开课:ISSCC2021-射频和毫米波功率放大器设计的基础 14、免费公开课:ISSCC 2022-高速/高性能数据转换器系列1(Prof. Boris Murmann) 15、免费公开课:ISSCC 2022-高速/高性能数据转换器系列2(Dr. Gabriele Manganaro) 16、免费公开课:ISSCC 2022-高速/高性能数据转换器系列3(Prof. Pieter Harpe) 17、免费公开课:ISSCC 2022-高速/高性能数据转换器系列4(Prof. Nan Sun) 点击下方“公众号”,关注更多精彩 专注于半导体人才培训,在线学习服务平台!半导体人才招聘服务平台 |
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