探索Y因子法測量噪聲系數(shù)

了解如何使用Y因子法測量噪聲系數(shù)（NF）。我們將深入研究如何使用它來找到噪聲因子，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(tǒng)的噪聲性能。對芯片制造商來說，進行準確的NF測量的能力可以帶來巨大的美元價值，因為需要準確的測量來保證優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品真正達到指定的噪聲性能，從而可以以高價出售。因此，我們不應該驚訝地發(fā)現(xiàn)，幾十年來已經(jīng)進行了大量的研究來改進噪聲系數(shù)測量的方法。一種流行的技術是Y因子法，這是本文的重點。

使用雙端口設備測量噪聲系數(shù)

考慮一個連接到源電阻R的雙端口設備，溫度為T，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是無噪聲的，即T=0 K，則輸出端出現(xiàn)的唯一噪聲將是被測設備的噪聲，標記為No(added)。隨著RS溫度的升高，其噪聲貢獻也會增加。找到設備的噪聲系數(shù)實際上相當于找到上述“噪聲線”。有兩種方法可以指定一條線：穿過線上的兩個點；或者通過一個點和直線的斜率。Y因子法實際上測量噪聲線上的兩個點，并使用該信息來找到被測器件（DUT）的噪聲因子。另一種噪聲系數(shù)測量方法是冷源法，該方法通過找到直線上的單個點以及直線的斜率（kBG）來確定噪聲系數(shù)。

考慮到這一點，讓我們來看看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

為了找到噪聲線的兩個不同點，我們需要對輸入應用兩個不同的噪聲水平。通過在溫度Tc和Th下將兩個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，通過等效噪聲溫度Te更容易對DUT的噪聲性能進行建模。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。通過對組件的噪聲溫度進行建模，我們可以很容易地找到兩個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

類似地，冷源的輸出噪聲Tc通過方程式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

這個比率被稱為Y因子。使用一點代數(shù)，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因子法原則上很簡單。然而，在實踐中，有一些錯綜復雜的問題需要仔細處理。其中一個錯綜復雜的問題是測量設備產(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。換句話說，通過將Nh和Nc代入方程3和4，我們實際上找到了由DUT和測量設備組成的兩級級聯(lián)系統(tǒng)的噪聲溫度。應用Friis方程，兩級級聯(lián)系統(tǒng)的噪聲溫度給出了方程5。

方程式5

解釋：

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30dB時，我們可以忽略第二級的噪聲，并假設Tcas?TDUT。然而，當不滿足此條件時，我們必須使用校準步驟來糾正第二階段產(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(tǒng)的噪聲線中獲得兩個點Nh，cal和Nc，cal?，F(xiàn)在我們可以找到校準設置的Y因子：

通過重新排列上述方程，我們得到接收器噪聲溫度：

總之，校準步驟（圖5）測量儀器本身并確定TRecever。接下來，在DUT就位的情況下（圖4），找到級聯(lián)系統(tǒng)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(shù)情況下，DUT的增益是未知的。然而，上述測量結(jié)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并沒有經(jīng)歷這種增益（圖5）。因此，GDUT可以通過方程式6進行估計。

方程式6

在上一篇文章中，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(qū)分這兩個功率量，方程6給出的功率稱為插入增益。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匹配的電阻器。例如，可以通過將電阻器浸入液氮（Tc=77K）或液氦（Tc=4K）中來獲得冷噪聲源。傳統(tǒng)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于調(diào)節(jié)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化框圖。

圖6基于二極管的噪聲源的簡化框圖

當連接28V電源時，二極管反向偏壓到雪崩區(qū)域，產(chǎn)生大量噪聲。另一方面，當電源斷開時，輸出端只會出現(xiàn)少量噪聲。RF扼流圈（RFC）只是一個電感器，其大小足以在所有感興趣的頻率下被視為開路。衰減器有助于我們降低失配的不確定性。它確保無論二極管是開啟還是關閉，噪聲源在輸出端都表現(xiàn)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，但它會產(chǎn)生異常“熱”的噪聲水平。例如，在10000K的范圍內(nèi)，這高于任何已知金屬的熔點。現(xiàn)代噪聲源產(chǎn)生的噪聲隨時間穩(wěn)定，頻率范圍寬，反射系數(shù)低。

過量噪聲比公式

過量噪聲比（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：

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。