Caracterize os componentes de ruído de RF usando a temperatura de ruído equivalente

Anteriormente, discutimos que a figura de ruído é a especificação de ruído comumente usada no trabalho de RF. Uma forma alternativa de caracterizar o desempenho de ruído de componentes e sistemas de RF é a temperatura de ruído equivalente, que será o foco principal deste artigo.

Em geral, a figura de ruído e a temperatura de ruído equivalente fornecem a mesma informação; no entanto, você pode estar um pouco menos familiarizado com o conceito de temperatura de ruído. A temperatura do ruído é usada principalmente em aplicações não terrestres, como radioastronomia e links de rádio orientados para o espaço que lidam com níveis de ruído muito pequenos. Apesar de sua aplicação de nicho, nos familiarizarmos com o conceito de temperatura de ruído pode nos dar uma imagem mais clara de como os instrumentos de medição de figuras de ruído realmente funcionam. De fato, um analisador automático de figura de ruído pode realizar muitos de seus cálculos internos em termos de temperatura de ruído.

Podemos usar o conceito de temperatura de ruído para especificar o ruído produzido por um dispositivo de uma porta, como uma antena ou uma fonte de ruído. Para entender melhor isso, considere uma fonte arbitrária de ruído branco com uma impedância de saída de R conectada a um resistor de carga correspondente, RL, conforme mostrado na Figura 1(a) abaixo.

Vamos supor que a fonte de ruído forneça uma potência de ruído de Não para RL = R (isto é, a potência de ruído disponível máxima da fonte de ruído é Não). Sabemos que a potência de ruído disponível de um resistor é kTB. Igualando kTB a No, podemos encontrar a temperatura em que o resistor exibe uma potência de ruído disponível de No.

\[T_e = \frac{N_o}{kB}\]

Esta observação nos dá o modelo de ruído mostrado na Figura 1(b), onde um único resistor, R, a uma temperatura de Te é usado para produzir a mesma quantidade de ruído que a fonte de ruído original, onde Te é a temperatura de ruído equivalente de a fonte de ruído. Observe que a temperatura do ruído não indica a temperatura física do resistor, pois você a mediria com um termômetro. A temperatura de ruído é apenas um conceito que nos permite modelar o nível de ruído real que um componente produz. Também vale a pena mencionar que, por definição, o conceito de figura de ruído não pode ser aplicado a dispositivos de uma porta.

O conceito de temperatura de ruído também pode ser usado para descrever o desempenho de ruído de uma rede de duas portas. Como exemplo, considere um amplificador ruidoso com um ganho, G, e uma largura de banda, B, conectado a um resistor de fonte casada, conforme mostrado na Figura 2(a).

Em seguida, o ruído disponível na saída do amplificador pode ser descrito usando a Equação 1.

\[N_o = N_{o(adicionado)} + kT_0BG\]

Onde:

Semelhante ao exemplo de uma porta, desejamos modelar o ruído do amplificador encontrando uma nova temperatura para o resistor da fonte. Para este fim, primeiro encontramos o ruído referido à entrada do amplificador:

\[N_{i(adicionado)}=\frac{N_{o(adicionado)}}{G}\]

Igualar o valor acima com kTeB nos dá a temperatura equivalente onde a potência de ruído disponível de um resistor é igual ao ruído referido na entrada do amplificador na Equação 2.

\[T_e=\frac{N_{o(adicionado)}}{kBG}\]

A partir disso, podemos assumir que o amplificador é silencioso e, em vez disso, aumentar a temperatura inicial de Rs por Te para levar em conta o ruído do amplificador. Isso é ilustrado na Figura 2(b).

Agora, vamos verificar nosso modelo calculando o ruído total de saída. Com referência à Figura 2(b), temos:

\[\begin{equation}N_o &=& kTBG = k(T_0+T_e)BG \\&=& k(T_0+\frac{N_{o(adicionado)}}{kBG})BG \\&=& kT_0BG +N_{o(adicionado)}\end{igual}\]

O que é consistente com a Equação 1 (sem grande surpresa!). Tendo a temperatura de ruído do amplificador, Te, podemos encontrar a temperatura de ruído de todo o sistema, incluindo tanto a impedância da fonte, Rs, quanto o amplificador dado por T0 + Te. Além disso, combinando a Equação 2 com a definição do fator de ruído abaixo, podemos obter uma equação útil que expressa a figura do ruído em termos da temperatura de ruído equivalente, mostrada na Equação 3.