探索Y因子法測量噪聲系數

了解如何使用Y因子法測量噪聲系數（NF）。我們將深入研究如何使用它來(lái)找到噪聲因子，如何校準噪聲溫度等等。

NF度量使我們能夠表征RF組件和系統的噪聲性能。對芯片制造商來(lái)說(shuō)，進(jìn)行準確的NF測量的能力可以帶來(lái)巨大的美元價(jià)值，因為需要準確的測量來(lái)保證優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品真正達到指定的噪聲性能，從而可以以高價(jià)出售。因此，我們不應該驚訝地發(fā)現，幾十年來(lái)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究來(lái)改進(jìn)噪聲系數測量的方法。一種流行的技術(shù)是Y因子法，這是本文的重點(diǎn)。

使用雙端口設備測量噪聲系數

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

圖1連接到源極電阻的雙端口設備的示意圖

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圖

如果RS是無(wú)噪聲的，即T=0 K，則輸出端出現的唯一噪聲將是被測設備的噪聲，標記為No(added)。隨著(zhù)RS溫度的升高，其噪聲貢獻也會(huì )增加。找到設備的噪聲系數實(shí)際上相當于找到上述“噪聲線(xiàn)”。有兩種方法可以指定一條線(xiàn)：穿過(guò)線(xiàn)上的兩個(gè)點(diǎn)；或者通過(guò)一個(gè)點(diǎn)和直線(xiàn)的斜率。Y因子法實(shí)際上測量噪聲線(xiàn)上的兩個(gè)點(diǎn)，并使用該信息來(lái)找到被測器件（DUT）的噪聲因子。另一種噪聲系數測量方法是冷源法，該方法通過(guò)找到直線(xiàn)上的單個(gè)點(diǎn)以及直線(xiàn)的斜率（kBG）來(lái)確定噪聲系數。

考慮到這一點(diǎn)，讓我們來(lái)看看Y因子方法。

圖3顯示了Y因子法的基本框圖。

圖3 Y因子法框圖

為了找到噪聲線(xiàn)的兩個(gè)不同點(diǎn)，我們需要對輸入應用兩個(gè)不同的噪聲水平。通過(guò)在溫度Tc和Th下將兩個(gè)匹配的電阻器連接到DUT的輸入端，產(chǎn)生所需的輸入噪聲功率。對于Y因子法，通過(guò)等效噪聲溫度Te更容易對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，B和G是DUT的帶寬和可用功率增益。通過(guò)對組件的噪聲溫度進(jìn)行建模，我們可以很容易地找到兩個(gè)輸入噪聲水平的輸出噪聲。Th處熱源的輸出噪聲功率如方程1所示。

方程式1

類(lèi)似地，冷源的輸出噪聲Tc通過(guò)方程式2得出。

方程式2

在上述方程組中：

Te和產(chǎn)品BG未知

眾所周知，Th和Tc這兩個(gè)輸入的噪聲溫度具有很高的精度

Nh和Nc是測量值

如果我們將方程1除以方程2，則BG項消失，我們得到方程3。

方程式3

這個(gè)比率被稱(chēng)為Y因子。使用一點(diǎn)代數，上述方程給出了方程4中DUT的噪聲溫度。

方程式4

有了Te，我們可以應用以下方程來(lái)找到噪聲因子：

校準步驟——校準噪聲和接收器噪聲溫度

Y因子法原則上很簡(jiǎn)單。然而，在實(shí)踐中，有一些錯綜復雜的問(wèn)題需要仔細處理。其中一個(gè)錯綜復雜的問(wèn)題是測量設備產(chǎn)生的噪聲。如下圖4所示。

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，測量的輸出噪聲功率Nh和Nc受到測量設備噪聲的影響。換句話(huà)說(shuō)，通過(guò)將Nh和Nc代入方程3和4，我們實(shí)際上找到了由DUT和測量設備組成的兩級級聯(lián)系統的噪聲溫度。應用Friis方程，兩級級聯(lián)系統的噪聲溫度給出了方程5。

方程式5

解釋?zhuān)?/p>

TDUT和TRECEIVER 是DUT和測量設備的噪聲溫度

GDUT是DUT的可用功率增益

當DUT增益超過(guò)30dB時(shí)，我們可以忽略第二級的噪聲，并假設Tcas?TDUT。然而，當不滿(mǎn)足此條件時(shí)，我們必須使用校準步驟來(lái)糾正第二階段產(chǎn)生的誤差。在校準步驟中，噪聲源直接連接到“噪聲測量接收器”，并應用Y因子法來(lái)確定接收器的噪聲溫度（圖5）。

圖5方框圖顯示了Y因子法用于計算接收器的噪聲溫度

將冷熱噪聲功率應用于測量設備，我們從校準系統的噪聲線(xiàn)中獲得兩個(gè)點(diǎn)Nh，cal和Nc，cal?，F在我們可以找到校準設置的Y因子：

通過(guò)重新排列上述方程，我們得到接收器噪聲溫度：

總之，校準步驟（圖5）測量?jì)x器本身并確定TRecever。接下來(lái)，在DUT就位的情況下（圖4），找到級聯(lián)系統Tcas的噪聲溫度。最后，假設DUT的增益已知，我們將TRecever和Tcas代入方程5以獲得TDUT。大多數情況下，DUT的增益是未知的。然而，上述測量結果可用于輕松找到GDUT。

計算被測器件增益

從測量裝置獲得的噪聲功率——圖4中的Nh和Nc——經(jīng)歷了DUT的增益；然而，Nh、cal和Nc、cal并沒(méi)有經(jīng)歷這種增益（圖5）。因此，GDUT可以通過(guò)方程式6進(jìn)行估計。

方程式6

在上一篇文章中，我們討論了噪聲系數定義中使用的功率增益是可用功率增益GA。應該注意的是，我們從方程6中獲得的功率增益不等于GA。為了區分這兩個(gè)功率量，方程6給出的功率稱(chēng)為插入增益。這將在下一篇文章中更詳細地討論。

插入增益——用二極管實(shí)現噪聲源

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，可以通過(guò)將電阻器浸入液氮（Tc=77K）或液氦（Tc=4K）中來(lái)獲得冷噪聲源。傳統上，熱電阻器被放置在沸水或冰水中。雖然早期的噪聲源依賴(lài)于調節源電阻器的物理溫度，但今天的有源噪聲源通常使用二極管或電子管來(lái)提供校準的噪聲水平。圖6顯示了基于二極管的噪聲源的簡(jiǎn)化框圖。

圖6基于二極管的噪聲源的簡(jiǎn)化框圖

當連接28V電源時(shí)，二極管反向偏壓到雪崩區域，產(chǎn)生大量噪聲。另一方面，當電源斷開(kāi)時(shí)，輸出端只會(huì )出現少量噪聲。RF扼流圈（RFC）只是一個(gè)電感器，其大小足以在所有感興趣的頻率下被視為開(kāi)路。衰減器有助于我們降低失配的不確定性。它確保無(wú)論二極管是開(kāi)啟還是關(guān)閉，噪聲源在輸出端都表現出相對恒定、明確的匹配。雖然噪聲二極管的物理溫度是室溫，但它會(huì )產(chǎn)生異?！盁帷钡脑肼曀?。例如，在10000K的范圍內，這高于任何已知金屬的熔點(diǎn)?，F代噪聲源產(chǎn)生的噪聲隨時(shí)間穩定，頻率范圍寬，反射系數低。

過(guò)量噪聲比公式

過(guò)量噪聲比（ENR）是表征有源噪聲源產(chǎn)生的噪聲的常用方法。ENR（分貝）定義為：

解釋?zhuān)?/p>

Th和Tc是噪聲源在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。在我們的測量中通常不是這樣。然而，噪聲源制造商提供的校準ENR值通常參考T0=290 K。例如，如果ENR指定為15 dB，則Th=9460.6 K。商業(yè)噪聲源最常見(jiàn)的ENR值為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的噪聲源的可用性有限。