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Considerazioni sulla cifra di rumore degli amplificatori a radiofrequenza 2/2

amplificatori a radiofrequenza

Questi espresse in termini matematici il legame esistente tra i valori di guadagno A e fattore di rumore Fi dei singoli componenti di una cascata di dispositivi, ed il valore del fattore di rumore F che possiamo riscontrare sul sistema, considerandolo nella sua globalità. La formula è nota come legge di Friis ed ha la forma:

legge_di_Friis

Alcune considerazioni. La grandezza F rappresenta il “Noise Factor” ovvero la quantità che si ottiene dal rapporto:

nose_factor

In pratica indica di quanto viene degradato il rapporto segnale rumore attraversando un sistema. Un circuito ideale non introduce rumore e non degrada quindi il rapporto segnale rumore, pertanto F=1. Possiamo pensare di parlare in un microfono ed ascoltare la nostra voce; se il cavo del microfono è molto lungo, la nostra voce sarà attenuata tanto che, bisbigliando, non verrà riprodotta dagli altoparlanti. In questo caso quindi il rapporto segnale rumore, molto alto in corrispondenza della nostra bocca, viene pesantemente degradato dal sistema e quindi F>>1.

taratura_nfa.

Purtroppo o per fortuna in ambito telecomunicazioni si usano spesso le grandezze logaritmiche e l’espressione in unità logaritmiche di F è NF = 10log10F. Si tratta di un parametro tipicamente fornito dai produttori di amplificatori o componenti attivi.

Prima di applicare la legge di Friis al circuito è necessario capire come trattare i componenti con perdita, ovvero, ad esempio, i circuiti passivi che esibiscono una attenuazione. E’ possibile dimostrare che, per un componente che ha una attenuazione di TdB, è NFdB = TdB Traduciamo adesso le grandezze espresse in dB in modo lineare ed applichiamo la legge di Friis: la perdita 5dB del filtro equivale ad F=3.16.

Il guadagno G=22 dB e la NF=1dB dell’amplificatore divengono, rispettivamente, A=200 e F=1.26.

amplificatori_rf_legge_friis

Risultato della formula: l’amplificatore in questione, per il modo in cui è realizzato, non puo avere una figura di rumore inferiore a 6dB. La questione effettivamente poteva essere risolta anche immediatamente pensando alle formule, senza scomodare analizzatori di spettro ed NFA. Dalla legge di Friis appare evidente che il comportamento di una cascata di dispositivi è interamente dominato dal primo termine: F1. Esso rappresenta il fattore di rumore del primo stadio che si presenta nella cascata. Nel caso in esame si tratta del filtro, ma possiamo estendere il concetto anche ad eventuali cavi di connessione che vanno dall’antenna al preamplificatore, ai connettori e tutto quanto esibisca una attenuazione prima dello stadio di amplificazione.

Altrettanto evidente, dallo studio condotto, è che il secondo filtro (quello di uscita) non influenza che minimamente il comportamento del sistema. La cosa non deve sorprendere in quanto il suo contributo viene notevolmente ridotto dall’elevato guadagno dell’amplificatore stesso. Possiamo concludere che dopo l’amplificatore possiamo anche permetterci dei componenti con perdita tanto più alta quanto maggiore è il guadagno dell’amplificatore. Considerando un amplificatore con G=22dB e NF=1dB, la variazione di NF introdotta da una attenuazione di 12 dB in uscita all’amplificatore è di solo 1.2 dB.

Questo ci consente una certa libertà nella scelta dei componenti. Sfruttando infatti l’alta OIP3 del dispositivo attivo, potremmo pensare di effettuare un filtraggio blando in ingresso al preamplificatore, e molto forte in uscita, per evitare sovraccarichi al ricevitore. Questo approccio deve essere tuttavia valutato bene a seconda della banda di funzionamento del preamplificatore. Mistero risolto. Mancano ancora all’appello 10 dB di guadagno, che sono ovviamente “rubati” dalla attenuazione esibita dai filtri. La ricerca non termina qui in quanto rimane la volontà dello scrivente di ridurre al massimo la NF dell’amplificatore. Per questo è necessario tuttavia riprogettare il filtro di ingresso e realizzare un circuito stampato.

Il lavoro è in corso di svolgimento ma ci vorranno parecchi mesi, visto il poco tempo a disposizione. In conclusione, vorrei ringraziare un Amico per il magnifico tempo passato assieme negli anni in cui abbiamo condiviso il luogo di lavoro, lavorando e rimuginando sulle immagini dell’analizzatore di spettro. Mi ha insegnato molto tecnicamente ed umanamente, facendo spesso sembrare i problemi fin troppo facili da risolvere.

radiokit elettronica

 

 

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