最經(jīng)典的噪聲系數(shù)測(cè)試方法—Y因子法

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有源器件的噪聲系數(shù)是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，尤其是對(duì)于射頻前端的LNA而言，其決定了整個(gè)接收鏈路的噪聲系數(shù)，將直接影響接收靈敏度。因此，噪聲系數(shù)的測(cè)試在射頻前端有源器件的研發(fā)過(guò)程中尤為重要。目前比較常見(jiàn)的噪聲系數(shù)測(cè)試方法有多種，本文將介紹其中最經(jīng)典的方法——Y因子法。

Y因子法測(cè)試噪聲系數(shù)需要使用頻譜儀和噪聲源，其與增益法的主要區(qū)別在于，測(cè)試過(guò)程中可以確定DUT增益，同時(shí)也能夠從測(cè)試結(jié)果中去除頻譜儀自身噪聲系數(shù)對(duì)測(cè)試引入的影響。

Y因子法測(cè)試

Y因子法操作過(guò)程分為兩步：校準(zhǔn)和測(cè)試。期間需要使用噪聲源為DUT提供噪聲激勵(lì)功率，具有On和Off兩個(gè)狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)不同的等效噪聲溫度，頻譜儀可控制噪聲源的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)。

噪聲源具有一定的工作頻率，核心指標(biāo)是ENR，表征產(chǎn)生噪聲功率的能力，其定義為

ENR(dB) = 10lg[(Ton - Toff)/T0]

其中，Ton和Toff分別是噪聲源打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)的等效噪聲溫度。

圖1. 校準(zhǔn)連接示意圖

步驟一：校準(zhǔn)

校準(zhǔn)目的是獲得頻譜儀自身的噪聲系數(shù)，直接將噪聲源連接至頻譜儀接口。T0 (290K) 溫度下，在噪聲源關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)頻譜儀測(cè)得的功率分別為

Noff = kBT0 × GSA + KBTSA × GSA

Non = kBTon × GSA + KBTSA × GSA

式中，GSA為頻譜儀校準(zhǔn)后的增益，TSA為頻譜儀自身的等效噪聲溫度。

定義Y因子為

Y = Non/Noff = (Ton + TSA)/(T0 + TSA)

分子、分母同時(shí)除以T0可得

Y = (Ton/T0 + TSA/T0)/(1 + TSA/T0)

其中分母就是頻譜儀的噪聲因子FSA，即

FSA = 1 + TSA/T0

則變換后可得

Y = (Ton/T0 - 1)/FSA + 1

FSA = (Ton/T0 - 1)/(Y - 1)

又因室溫為T(mén)0，就是噪聲源關(guān)閉時(shí)的等效噪聲溫度，因此上式寫(xiě)成對(duì)數(shù)形式為

NFSA(dB) = ENR - 10lg(Y - 1)

至此，已經(jīng)完成了頻譜儀自身噪聲系數(shù)的確定。

步驟二：測(cè)試

作為最經(jīng)典的噪聲系數(shù)測(cè)試方法，Y因子法功能確實(shí)強(qiáng)大，不僅可以完成噪聲系數(shù)的測(cè)試，而且還可以完成增益的測(cè)試，當(dāng)然，增益測(cè)試是噪聲系數(shù)測(cè)試的前提。

在這一步中，將會(huì)把DUT和頻譜儀當(dāng)做一個(gè)二級(jí)級(jí)聯(lián)模塊，第一級(jí)是DUT，第二級(jí)是頻譜儀。首先確定總體的噪聲因子，然后再根據(jù)級(jí)聯(lián)公式確定DUT本身的噪聲因子。

圖2. 測(cè)試連接示意圖

T0 (290K) 溫度下，在噪聲源關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)頻譜儀測(cè)得的功率分別為

Nt,off = kBT0 × Gt + kBTt × Gt

Nt,on = kBTon × Gt + kBTt× Gt

式中，Gt和Tt分別為DUT和頻譜儀總體的增益和等效噪聲溫度。

則Y因子為

Y = Nt,on/Nt,off = (Ton + Tt)/(T0 + Tt)

進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得

Y = (Ton/T0 - 1)/Ft + 1

Ft = (Ton/T0 - 1)/(Y - 1)

寫(xiě)為對(duì)數(shù)形式為

NFt(dB) = ENR - 10lg(Y - 1)

以上確定了總體的噪聲系數(shù)，根據(jù)級(jí)聯(lián)公式

Ft = FDUT + (FSA - 1)/GDUT

便可以確定DUT的噪聲因子。但是如何確定DUT的增益呢？

利用校準(zhǔn)和測(cè)試過(guò)程中頻譜儀測(cè)得的噪聲功率，便可以按照如下公式確定DUT的增益。

GDUT = (Nt,on - Nt,off)/(Non - Noff)

大家可以嘗試推導(dǎo)一下~~