RF회로에서 Noise 표시, 분석, 설계 기초

RF noise

Radio = 무선 송수신 장치

라디오 주파수 = 30MHz~3GHz

 

주파수가 높을수록 안테나가 작아지고 손실이 많아짐(더 많은 기지국 필요)

멀리서 받을수록 신호가 작아짐

 

수신한 시스템에 잡음 문제가 없으면 완벽한 신호 복원가능

문제는 잡음보다 신호가 작으면 복원이 점점 어려워짐

미약한 신호를 복원할수 있는가가 sensitivity

 

ex) LTE sensitivity = -110dBm = 10^-11mW의 작은 파워를 수신가능함

 

따라서 RF에서 노이즈가 매우 중요함.

어캐 노이즈를 줄일 수 있을까에 대한 고찰이 필요.

 

Noise 정의 = 예측불허한 signal

signal 특성이 random함 (random의 평균=0)

but 제곱의 평균은 파워니까 average power로 정의함 (power domain에서 분석)

열에너지를 받은 전자의 운동에너지에의해 예측불허함

 

특정 주파수 범위에서의 노이즈가 중요함 무선통신에서

각각의 지점의 노이즈를 noise power spectrum density를 갖고 그 소자가 얼마나 noisy한지를 봄

구간에서의 주파수의 노이즈를 알고 싶으면 그 구간에 맞게 적분하면 그 주파수 구간에서의 노이즈파워가됨

 

Thermal Noise

Sv(f)=4kTR [V^2/Hz]

전류로 나타내면 4kT/R

저항에서 많이 발생함

 

1. 높은 주파수 : Channel Thermal Noise = cmos에서 channel저항에 의해 발생함 (중요)

2. 낮은 주파수 : 1/f Noise in MOSFET = channel interface 부분에 trap site에 전자가 trap되는 과정에 노이즈 발생 => 주파수에 반비례, 높은주파수에선 무시, DC에서는 엄청 커짐

3. 아주 높은 주파수 : Induced Gate noise

 

Noise Analysis

파워도메인에서 중첩 analysis가능 각각의 제곱을 합하면 그게  noise analysis임

1,2가 Cmos에서 핵심 노이즈

한소자의 노이즈는 다른 소자의 노이즈로 상쇄가 불가능함 becasue of the random 특성

power level에서 더함 but corelation이 있으면 불가

 

 

노이즈를 줄이는 방법

1. 각각의 노이즈를 줄이는 방법

2. 노이즈 source를 없애는 방법

3. 같은 노이즈 cancel하는 방법

 

그래서 RF는 소자개수가 적음

LNA는 TR2개 

VCO 3개

Mixer 6개

 

아날로그는 몇백개 디지털은 몇백만개 ㅋㅋ

TR많을수록 전류가 커짐 + 노이즈 source가 많아지므로

 

Noise를 어떻게 표시

노이즈 등가 등가 전류 전압원을 달아버림+Noiseless Circuit

RF에서 노이즈 파워의 실제값이 안중요함

그럼 뭐가중요?

원하는 신호대비 노이즈값이 중요함

=> Noise Figure

입력 => 출력

신호대 잡음비의 차이

ex) 10dB => 7dB

asnswer) Noise Figure : 3dB 

 

Rs=가하는 Source의 저항값이 NF계산식에 들어감

분모 분자에 다 있는디=>최저점이 있다는것=Minimum NF (그때의 Rs = Optimal source 저항)

 

노이즈 파라미터

NFmin, Ropt(아까 최소점의 Rs값), rn(최적점 벗어났을때 NF가 급격히 나빠지지 않도록,,, 얼마나 빠르게 증가하는지 가늠하는 척도)

smith chart에서 높이가 NF,,,, 관련내용 추후 글에 추가

 

LNA설계의 기초적인 접근=임피던스 매칭+NF최소