Temperatura de ruido

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Nivel de potencia de ruido introducido por un componente o fuente

En electrónica, la temperatura de ruido es una forma de expresar el nivel de potencia de ruido disponible introducida por un componente o fuente. (Esto debe distinguirse del ruido de temperatura en termodinámica o del análisis interferrométrico principal sobre la interferencia de tipo cruzado entre diferentes tipos de ruido) La densidad espectral de potencia del ruido se expresa en términos de la temperatura (en kelvin) que produciría ese nivel de Johnson –Ruido de Nyquist, así:

{displaystyle {frac {P_{text{N}}}{B}}=k_{text{B}}T}

donde:

${displaystyle P_{text{N}}}$ es el poder de ruido (en W, watts)
$B$ es el ancho de banda total (Hz, hertz) sobre el cual se mide esa potencia de ruido
${displaystyle k_{text{B}}}$ es la constante de Boltzmann (1.381×10^{,23 a 23}J/K, joules per kelvin)
$T$ es la temperatura del ruido (K, kelvin)

Así la temperatura del ruido es proporcional a la densidad espectral de potencia del ruido, ${displaystyle P_{text{N}}/B}$ . Esa es la potencia que sería absorbida del componente o fuente por una carga igualada. La temperatura de ruido es generalmente una función de frecuencia, a diferencia de la de un resistor ideal que es simplemente igual a la temperatura real del resistor a todas las frecuencias.

Voltaje y corriente de ruido

Un componente ruidoso puede ser modelado como un componente sin ruido en serie con una fuente de tensión ruidosa que produce un voltaje $v n$ , o como un componente sin ruido en paralelo con una fuente corriente ruidosa que produce una corriente $i n$ . Este voltaje equivalente o corriente corresponde a la densidad espectral de potencia anterior ${displaystyle {frac {P}{B}}}$ , y tendría una mala amplitud cuadrada sobre un ancho de banda $B$ de:

{displaystyle {begin{aligned}{frac {{bar {v}}_{text{n}}^{2}}{B}}&=4k_{text{B}}RT\\{frac {{bar {i}}_{text{n}}^{2}}{B}}&=4k_{text{B}}GTend{aligned}}}

donde $R$ es la parte resistiva de la impedancia del componente o estilo $G$ es la conductancia (parte real) de la admitancia del componente. Hablando de temperatura de ruido, por lo tanto, ofrece una comparación justa entre componentes que tienen diferentes impedancias en lugar de especificar el voltaje de ruido y calificar ese número mencionando la resistencia del componente. También es más accesible que hablar de la densidad espectral de potencia del ruido (en vatios por hercio), ya que se expresa como una temperatura ordinaria que se puede comparar con el nivel de ruido de una resistencia ideal a temperatura ambiente (290 K).

Tenga en cuenta que solo se puede hablar de la temperatura de ruido de un componente o fuente cuya impedancia tiene un componente resistivo sustancial (y medible). Por tanto, no tiene sentido hablar de la temperatura de ruido de un condensador o de una fuente de tensión. La temperatura de ruido de un amplificador se refiere al ruido que se agregaría en la entrada del amplificador (en relación con la impedancia de entrada del amplificador) para tener en cuenta el ruido agregado observado después de la amplificación..

Temperatura de ruido del sistema

Un sistema de receptor RF se compone típicamente de una antena y un receptor, y la línea de transmisión que conecta los dos juntos. Cada uno de ellos es una fuente de ruido aditivo. El ruido aditivo en un sistema receptor puede ser de origen térmico (sonido térmico) o puede ser de otros procesos externos o internos generadores de ruido. Las contribuciones de todas las fuentes de ruido suelen agruparse y considerarse un nivel de ruido térmico. La densidad espectral de potencia de ruido generada por cualquier fuente ( $P/B$ ) se puede describir asignando al ruido una temperatura $T$ como se define más arriba:

{displaystyle T={frac {P}{B}}cdot {frac {1}{k_{text{B}}}}}

En un receptor RF, la temperatura total del ruido del sistema $T_{S}$ iguala la suma de la temperatura de ruido efectiva de las líneas de recepción y transmisión y la de la antena.

{displaystyle T_{S}=T_{A}+T_{E}}

Temperatura de ruido de la antena $T_{{A}}$ da el poder de ruido visto en la salida de la antena. Temperatura de ruido compuesta del receptor y pérdida de la línea de transmisión ${displaystyle T_{E}}$ representa la contribución de ruido del resto del sistema receptor. Se calcula como el ruido efectivo que estaría presente en los terminales de entrada de la antena si el sistema receptor fuera perfecto y no creara ruido. En otras palabras, es un sistema cascada de amplificadores y pérdidas donde las temperaturas de ruido interno se refieren a los terminales de entrada de la antena. Así, la suma de estas dos temperaturas de ruido representa la entrada de ruido a un sistema de receptor "perfecto".

Factor de ruido y figura de ruido

Un uso de la temperatura del ruido está en la definición del factor de ruido del sistema o la figura del ruido. El factor de ruido especifica el aumento de la potencia de ruido (referido a la entrada de un amplificador) debido a un componente o sistema cuando su temperatura de ruido de entrada es $T_{0}$ .

{displaystyle F={frac {T_{0}+T_{text{E}}}{T_{0}}}}

$T_{0}$ se toma habitualmente para ser temperatura ambiente, 290 K.

El factor de ruido (un término lineal) se expresa más a menudo como la figura de ruido (en decibelios) usando la conversión:

{displaystyle NF=10log _{10}(F)}

La cifra de ruido también puede verse como la disminución de la relación señal-ruido (SNR) provocada por pasar una señal a través de un sistema si la señal original tenía una temperatura de ruido de 290 K. Esta es una forma común de expresar el ruido aportado por un amplificador de radiofrecuencia independientemente de la ganancia del amplificador. Por ejemplo, suponga que un amplificador tiene una temperatura de ruido de 870 K y, por lo tanto, una cifra de ruido de 6 dB. Si ese amplificador se usa para amplificar una fuente que tiene una temperatura de ruido de aproximadamente temperatura ambiente (290 K), como hacen muchas fuentes, entonces la inserción de ese amplificador reduciría la SNR de una señal en 6 dB. Esta relación simple se aplica con frecuencia cuando el ruido de la fuente es de origen térmico, ya que un transductor pasivo a menudo tendrá una temperatura de ruido similar a 290 K.

Sin embargo, en muchos casos, la temperatura de ruido de la fuente de entrada es mucho más alta, como una antena a frecuencias más bajas donde domina el ruido atmosférico. Entonces habrá poca degradación de la SNR. Por otro lado, una buena antena parabólica que mire a través de la atmósfera hacia el espacio (para que vea una temperatura de ruido mucho más baja) tendría la SNR de una señal degradada en más de 6 dB. En esos casos, es más apropiada una referencia a la temperatura de ruido del amplificador en sí, en lugar de la cifra de ruido definida según la temperatura ambiente.

Temperatura de ruido efectiva

La temperatura de ruido de un amplificador se suele medir mediante el método del factor Y. Si hay varios amplificadores en cascada, la temperatura de ruido de la cascada se puede calcular utilizando la ecuación de Friis:

{displaystyle T_{text{E}}=T_{1}+{frac {T_{2}}{G_{1}}}+{frac {T_{3}}{G_{1}G_{2}}}+cdots }

dónde

${displaystyle T_{text{E}}}$ = temperatura de ruido resultante referida a la entrada
$T_{1}$ = temperatura de ruido del primer componente en la cascada
$T_{2}$ = temperatura de ruido del segundo componente en la cascada
$T_{3}$ = temperatura de ruido del tercer componente en la cascada
$G_{1}$ = ganancia de potencia del primer componente en la cascada
$G_{2}$ = ganancia de potencia del segundo componente en la cascada

Por lo tanto, la cadena amplificadora se puede modelar como una caja negra con una ganancia de ${displaystyle G_{1}cdot G_{2}cdot G_{3}cdots }$ y una figura de ruido dada por ${displaystyle NF=10log _{10}(1+T_{text{E}}/290)}$ . En el caso habitual donde las ganancias de las etapas del amplificador son mucho mayores que una, entonces se puede ver que las temperaturas de ruido de las etapas anteriores tienen una influencia mucho mayor en la temperatura de ruido resultante que las posteriores en la cadena. Se puede apreciar que el ruido introducido por la primera etapa, por ejemplo, se amplifica por todas las etapas, mientras que el ruido introducido por etapas posteriores experimenta una amplificación menor. Otra manera de mirarlo es que la señal aplicada a una etapa posterior ya tiene un alto nivel de ruido, debido a la amplificación del ruido por las etapas anteriores, de modo que la contribución del ruido de esa etapa a esa señal ya amplificada es de menor importancia.

Esto explica por qué la calidad de un preamplificador o amplificador de RF es de particular importancia en una cadena de amplificadores. En la mayoría de los casos, solo se debe considerar la figura de ruido de la primera etapa. Sin embargo, se debe verificar que la figura de ruido de la segunda etapa no sea tan alta (o que la ganancia de la primera etapa sea tan baja) como para que haya una degradación de SNR debida a la segunda etapa de todos modos. Eso será una preocupación si la figura de ruido de la primera etapa más la ganancia de esa etapa (en decibelios) no es mucho mayor que la figura de ruido de la segunda etapa.

Un corolario de la ecuación Friis es que un atenuador antes del primer amplificador degradará la figura de ruido debido al amplificador. Por ejemplo, si la etapa 1 representa un atenuador de 6 dB para que ${displaystyle G_{1}={frac {1}{4}}}$ , entonces ${displaystyle T_{text{E}}=T_{1}+4T_{2}+cdots }$ . Efectivamente la temperatura de ruido del amplificador $T_{2}$ se ha cuadruplicado, además de la contribución (smaller) debido al atenuador mismo $T_{1}$ (normalmente temperatura ambiente si el atenuador está compuesto por resistores). Una antena con poca eficiencia es un ejemplo de este principio, donde $G_{1}$ representaría la eficiencia de la antena.

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