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Rumore termico, shot e flicker

Elettronica · Strumentazione elettronica Fisica · Fisica dei semiconduttori Articolo

Percorso: Strumentazione elettronica · 8 di 17

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Indice

Da dove viene il rumore

La corrente in un conduttore è I=qnvAI = qnvA: la carica dei portatori, la loro densità, la loro velocità media, la sezione. Se la velocità dei portatori fluttua, perché urtano in modo casuale il reticolo agitato dalla temperatura, fluttua la corrente: è il rumore termico. Se fluttua il numero di portatori che attraversano una barriera, perché la attraversano uno alla volta e in istanti casuali, è il rumore shot. E se fluttuano lentamente il numero o la mobilità dei portatori, per processi che hanno tempi caratteristici molto diversi tra loro, è il rumore flicker, o 1/f1/f. Sono le tre sorgenti di rumore che si incontrano in quasi tutti i circuiti, e questo articolo ne ricava gli spettri con gli strumenti dell’articolo precedente. Le densità spettrali, da qui in avanti, sono unilatere.

Il rumore termico

Nel 1928 John Johnson, ai Bell Labs, misurò la tensione ai capi di resistori scollegati, amplificata a sufficienza. Trovò una tensione fluttuante con valore quadratico medio proporzionale alla resistenza e alla temperatura assoluta, indipendente dal materiale, e con uno spettro piatto in tutte le frequenze che poteva misurare. Nello stesso numero della rivista Harry Nyquist ne diede la spiegazione.

Teorema (formula di Nyquist)

Un resistore RR in equilibrio termico alla temperatura TT ha ai capi, a circuito aperto, una tensione di rumore con densità spettrale unilatera

SV=4kTR,S_V = 4kTR ,

per frequenze con hfkThf \ll kT. Equivalentemente, in cortocircuito, una corrente con densità SI=4kT/RS_I = 4kT/R.

Dimostrazione.

Si collegano due resistori uguali RR, alla stessa temperatura, con una linea di trasmissione senza perdite di impedenza caratteristica RR e lunghezza ll, lungo la quale i segnali viaggiano alla velocità vv. La linea è adattata: ciò che un resistore immette nella linea arriva all’altro senza riflessioni ed è assorbito. All’equilibrio ciascun resistore cede all’altro la stessa potenza, e sia P(f)dfP(f)\,df la potenza ceduta nella banda dfdf.

A un certo istante si cortocircuitano i due estremi della linea. L’energia che stava viaggiando resta intrappolata, e si distribuisce sui modi stazionari della linea chiusa, per i quali la lunghezza è un multiplo di mezza lunghezza d’onda: nλ/2=ln\lambda/2 = l, cioè fn=nv/2lf_n = nv/2l. Nella banda dfdf ci sono 2ldf/v2l\,df/v modi. Per il teorema di equipartizione della meccanica statistica ogni modo, che ha due gradi di libertà quadratici, l’energia elettrica e quella magnetica, ha in media l’energia kTkT. L’energia nella banda è quindi 2lkTdf/v2lkT\,df/v. Questa energia era stata immessa dai due resistori nel tempo l/vl/v che serve a percorrere la linea: 2P(f)dfl/v=2lkTdf/v2P(f)\,df\,l/v = 2lkT\,df/v, e P(f)=kTP(f) = kT.

Si rappresenta ora ciascun resistore come un resistore senza rumore in serie a un generatore di tensione con densità SVS_V. La tensione di rumore nella banda dfdf, di valore quadratico medio SVdfS_V\,df, fa circolare nei due resistori in serie la corrente V/2RV/2R, e cede all’altro resistore la potenza media RV2/4R2=SVdf/4RR\,\overline{V^2}/4R^2 = S_V\,df/4R. Uguagliandola a kTdfkT\,df si ha SV=4kTRS_V = 4kTR. In cortocircuito il generatore di tensione dà la corrente V/RV/R, con densità SV/R2=4kT/RS_V/R^2 = 4kT/R.

Fine della dimostrazione.

Il ragionamento di Nyquist In alto due resistori R, uno a sinistra e uno a destra, collegati da una linea di trasmissione disegnata come due conduttori paralleli lunghi l. In basso la stessa linea con i due estremi in cortocircuito e, dentro, tre onde stazionarie: mezza lunghezza d'onda, una lunghezza d'onda intera e una e mezza, tutte nulle agli estremi. R R linea senza perdite, impedenza caratteristica R l linea cortocircuitata: modi con nλ/2 = l

Il ragionamento di Nyquist: due resistori collegati da una linea adattata si scambiano la potenza del loro rumore; cortocircuitando la linea l’energia resta intrappolata nei modi stazionari, e l’equipartizione dà a ciascuno kTkT.

Un resistore da 11 kΩ\Omega a 300300 K ha 4,074{,}07 nV/√Hz; uno da 11 MΩ\Omega, 129129 nV/√Hz, cioè 0,130{,}13 pA/√Hz di corrente; uno da 11 GΩ\Omega, 44 fA/√Hz. Nei circuiti il rumore termico si rappresenta con un resistore senza rumore e un generatore di tensione in serie, o di corrente in parallelo. Condensatori e induttori ideali non producono rumore termico: il rumore accompagna la dissipazione, e un elemento che non dissipa energia non la restituisce come fluttuazioni.

La formula vale finché l’energia di un modo è quella classica. Con la formula di Planck ogni modo ha energia media hf/(ehf/kT1)hf/(e^{hf/kT} - 1), e la densità diventa 4Rhf/(ehf/kT1)4Rhf/(e^{hf/kT} - 1): resta entro l’1% del valore classico fino a hf/kT=0,02hf/kT = 0{,}02, cioè 125125 GHz a temperatura ambiente e 1,71{,}7 GHz a 44 K. Per l’elettronica di misura il rumore termico è bianco.

La stessa formula si ritrova guardando gli elettroni. È un calcolo che collega il rumore alle grandezze dell’articolo sulla deriva e la diffusione.

Proposizione (rumore termico dagli urti degli elettroni)

In un conduttore di lunghezza LL e sezione AA con nn elettroni liberi per unità di volume, massa efficace mm^* e tempo medio tra gli urti τ\tau, in cui ogni urto rende la velocità indipendente da quella precedente, la corrente di cortocircuito ha, per f1/2πτf \ll 1/2\pi\tau, densità spettrale SI=4kT/RS_I = 4kT/R.

Dimostrazione.

Si considera un elettrone e la componente vxv_x della sua velocità lungo il conduttore, con media nulla e, per l’equipartizione, vx2=kT/m\overline{v_x^2} = kT/m^*. Il prodotto vx(t)vx(t+τ)v_x(t)\,v_x(t + \tau') ha media vx2\overline{v_x^2} se tra i due istanti non ci sono urti, e media nulla se c’è stato almeno un urto, perché le due velocità sono indipendenti. Con tempi tra gli urti distribuiti in modo esponenziale, la probabilità di nessun urto in un intervallo τ|\tau'| è eτ/τe^{-|\tau'|/\tau}, e l’autocorrelazione è vx2eτ/τ\overline{v_x^2}\,e^{-|\tau'|/\tau}. Per l’esercizio 4 dell’articolo precedente la densità spettrale unilatera è 4vx2τ/[1+(2πfτ)2]4\overline{v_x^2}\tau/[1 + (2\pi f\tau)^2], che per f1/2πτf \ll 1/2\pi\tau vale 4kTτ/m4kT\tau/m^*.

Un elettrone che si muove con velocità vxv_x tra due elettrodi a distanza LL, collegati in cortocircuito, induce sugli elettrodi una corrente qvx/Lqv_x/L: la carica indotta su ciascun elettrodo dipende dalla sua posizione in modo lineare, e cambia al ritmo qvx/Lqv_x/L. La densità di corrente dovuta a un elettrone è quindi (q/L)24kTτ/m(q/L)^2\cdot4kT\tau/m^*. Gli N=nALN = nAL elettroni sono indipendenti, e le densità si sommano:

SI=nALq2L24kTτm=4kTnq2τmAL=4kTσAL=4kTR,S_I = nAL\,\frac{q^2}{L^2}\,\frac{4kT\tau}{m^*} = 4kT\,\frac{nq^2\tau}{m^*}\,\frac{A}{L} = 4kT\,\sigma\,\frac{A}{L} = \frac{4kT}{R} ,

perché la conducibilità è σ=nqμ\sigma = nq\mu con μ=qτ/m\mu = q\tau/m^*.

Fine della dimostrazione.

Il rumore termico non dipende dalla corrente che attraversa il resistore: c’è anche con i morsetti aperti. Un circuito RC mostra un risultato sorprendente.

Proposizione (rumore kT/C)

La tensione di rumore ai capi di un condensatore CC collegato a un resistore RR alla temperatura TT ha valore quadratico medio

v2=kTC,\overline{v^2} = \frac{kT}{C} ,

indipendente da RR.

Dimostrazione.

Il generatore di rumore del resistore, con densità 4kTR4kTR, arriva al condensatore attraverso il partitore 1/(1+j2πfRC)1/(1 + j2\pi fRC). La densità della tensione sul condensatore è 4kTR/[1+(2πfRC)2]4kTR/[1 + (2\pi fRC)^2], e il suo integrale su tutte le frequenze positive, con u=2πfRCu = 2\pi fRC, è

4kTR0df1+(2πfRC)2=4kTR2πRC0du1+u2=4kTR2πRCπ2=kTC.\begin{aligned} 4kTR\int_0^{\infty}\frac{df}{1 + (2\pi fRC)^2} &= \frac{4kTR}{2\pi RC}\int_0^{\infty}\frac{du}{1 + u^2} \\[0.5em] &= \frac{4kTR}{2\pi RC}\cdot\frac{\pi}{2} = \frac{kT}{C} . \end{aligned}

Fine della dimostrazione.

Un resistore più grande dà più rumore per hertz, ma su una banda più stretta, e le due cose si compensano: è anche il risultato dell’equipartizione, 12Cv2=12kT\tfrac12C\overline{v^2} = \tfrac12kT. Con 11 pF a temperatura ambiente sono 6464 μV efficaci, con 1010 pF 2020 μV. È il limite dei circuiti che campionano una tensione su un condensatore, dai convertitori analogico-digitali ai sensori di immagine: il rumore dipende solo dalla capacità, e per ridurlo serve un condensatore più grande.

Il rumore shot

Walter Schottky osservò nel 1918 che la corrente di un tubo a vuoto, dove gli elettroni lasciano il catodo uno alla volta e in istanti indipendenti, fluttua anche a temperatura costante. Lo stesso succede in una giunzione pn, in un transistore bipolare, in un fotodiodo: la corrente è una sequenza di impulsi, uno per ogni portatore che attraversa la barriera, e gli impulsi arrivano a caso.

Il rumore shot Tre tracce di corrente in una finestra di 10 nanosecondi, fatte di impulsi rettangolari lunghi 100 picosecondi, uno per elettrone, che arrivano a caso. In alto, con una corrente media di 0,1 nanoampere, pochi impulsi isolati molto più alti della media. Al centro, con 1 nanoampere, decine di impulsi che a tratti si sovrappongono. In basso, con 10 nanoampere, centinaia di impulsi sovrapposti: la corrente oscilla attorno alla media, tratteggiata, con fluttuazioni relative più piccole. 0,1 nA1 nA10 nA 0 10 ns

Tre finestre di 1010 ns di una corrente fatta di impulsi di 100100 ps, uno per elettrone, con correnti medie di 0,10{,}1, 11 e 1010 nA: in media 66, 6262 e 624624 elettroni. Più elettroni, più fluttuazioni in assoluto, ma più piccole rispetto alla media, tratteggiata.

Teorema (formula di Schottky)

Una corrente fatta di impulsi x(t)=kqh(ttk)x(t) = \sum_k q\,h(t - t_k), dove hh ha area 11 e trasformata H(f)H(f) e i tempi tkt_k sono gli arrivi indipendenti di un processo di Poisson con nˉ\bar n arrivi al secondo, ha densità spettrale bilatera

S(f)=Iˉ2δ(f)+qIˉH(f)2,Iˉ=qnˉ.S(f) = \bar I^2\,\delta(f) + q\bar I\,|H(f)|^2 , \qquad \bar I = q\bar n .

La parte fluttuante ha densità unilatera 2qIˉH(f)22q\bar I|H(f)|^2, che per frequenze molto minori dell’inverso della durata degli impulsi vale 2qIˉ2q\bar I.

Dimostrazione.

Contando gli impulsi che iniziano in [T,T][-T, T] e trascurando quelli a cavallo degli estremi, che non contano nel limite, la trasformata della corrente troncata è XT(f)=qH(f)kej2πftkX_T(f) = qH(f)\sum_ke^{-j2\pi ft_k}, e

XT(f)2=q2H(f)2kmej2πf(tktm).\overline{|X_T(f)|^2} = q^2|H(f)|^2\,\overline{\sum_k\sum_me^{-j2\pi f(t_k - t_m)}} .

I termini con k=mk = m valgono 11, e la loro somma ha per media il numero medio di arrivi, 2Tnˉ2T\bar n. Per i termini con kmk \ne m si usa la proprietà del processo di Poisson: gli arrivi in intervalli disgiunti sono indipendenti, e il numero medio di coppie ordinate di arrivi distinti, uno in dt1dt_1 e uno in dt2dt_2, è nˉ2dt1dt2\bar n^2\,dt_1\,dt_2. La loro media è quindi

nˉ2TT ⁣ ⁣TTej2πf(t1t2)dt1dt2=nˉ2TTej2πftdt2=nˉ2(2T)2sinc2(2Tf).\begin{aligned} \bar n^2\int_{-T}^{T}\!\!\int_{-T}^{T}e^{-j2\pi f(t_1 - t_2)}\,dt_1\,dt_2 &= \bar n^2\left|\int_{-T}^{T}e^{-j2\pi ft}\,dt\right|^2 \\[0.5em] &= \bar n^2\,(2T)^2\,\text{sinc}^2(2Tf) . \end{aligned}

Dividendo per 2T2T, la densità è q2H(f)2[nˉ+nˉ22Tsinc2(2Tf)]q^2|H(f)|^2[\bar n + \bar n^2\,2T\,\text{sinc}^2(2Tf)]. La funzione 2Tsinc2(2Tf)2T\,\text{sinc}^2(2Tf) ha area 11 e larghezza 1/2T1/2T: per TT \to \infty tende all’impulso δ(f)\delta(f). Poiché H(0)=1H(0) = 1, il secondo termine diventa q2nˉ2δ(f)=Iˉ2δ(f)q^2\bar n^2\delta(f) = \bar I^2\delta(f), e il primo q2nˉH2=qIˉH2q^2\bar n|H|^2 = q\bar I|H|^2. La densità unilatera della parte fluttuante è il doppio del termine continuo, e H(f)1|H(f)| \simeq 1 finché ff è piccola rispetto all’inverso della durata degli impulsi.

Fine della dimostrazione.

L’impulso nell’origine è la componente continua Iˉ\bar I; il resto è il rumore. Una corrente di 11 mA ha un rumore shot di 17,917{,}9 pA/√Hz, una di 11 nA di 17,917{,}9 fA/√Hz. Il rumore cresce come Iˉ\sqrt{\bar I}, e il rapporto tra rumore e corrente cala come 1/Iˉ1/\sqrt{\bar I}: per una misura di corrente, più corrente vuol dire più precisione relativa.

Il rumore shot richiede portatori indipendenti. Nel metallo di un resistore la corrente è un moto collettivo di elettroni che si respingono, e a parte il rumore termico non ci sono fluttuazioni shot misurabili; in una giunzione pn, in un transistore bipolare o in un fotodiodo i portatori superano una barriera uno alla volta, e il rumore shot c’è. In un diodo percorso dalla corrente II, la corrente di rumore 2qI2qI sulla resistenza dinamica rd=VT/Ir_d = V_T/I dà la tensione 2qIrd2=2kTrd2qIr_d^2 = 2kTr_d: metà del rumore termico di un resistore dello stesso valore.

Il rumore flicker

Nel 1925, studiando il rumore shot dei tubi a vuoto, Johnson trovò a bassa frequenza un rumore in più, che cresceva scendendo in frequenza. Da allora lo si è trovato in tutti i dispositivi elettronici, ma anche nelle piene del Nilo, nelle correnti oceaniche, nel battito del cuore e, come mostrarono Richard Voss e John Clarke nel 1975, nell’andamento dell’intensità della musica e del parlato. Ha densità spettrale S(f)=K/fαS(f) = K/f^\alpha, con α\alpha vicino a 11.

Proposizione (potenza del rumore 1/f)

Un rumore con densità K/fK/f ha, nella banda da fLf_L a fHf_H, potenza

P=KlnfHfL,P = K\ln\frac{f_H}{f_L} ,

che dipende solo dal rapporto tra le frequenze: ogni decade contiene la stessa potenza, Kln10K\ln10.

Dimostrazione.

fLfHKdf/f=K(lnfHlnfL)\int_{f_L}^{f_H}K\,df/f = K(\ln f_H - \ln f_L).

Fine della dimostrazione.

Tra 0,10{,}1 e 11 Hz c’è lo stesso rumore che tra 100100 kHz e 11 MHz, mentre per un rumore bianco il secondo intervallo ne avrebbe un milione di volte di più. La potenza diverge sia verso le alte sia verso le basse frequenze, ma solo come un logaritmo, e ogni misura ha limiti naturali: la durata dell’osservazione in basso, il tempo di risposta del sistema in alto. Anche prendendo come estremi l’inverso dell’età dell’universo, circa 101710^{-17} Hz, e l’inverso del tempo che la luce impiega ad attraversare un atomo, circa 101810^{18} Hz, sono 3535 decadi: 3535 volte la potenza di una decade. Nessuna misura ha mai trovato una frequenza sotto la quale lo spettro smetta di crescere.

Nei semiconduttori il rumore flicker nasce soprattutto dalle trappole, difetti che catturano e rilasciano portatori. Una sola trappola vicina al canale di un MOSFET, quando cattura un elettrone, abbassa la corrente di un gradino, e quando lo rilascia la rialza: la corrente salta tra due livelli in istanti casuali, un rumore telegrafico. Se i tempi di cattura e di emissione hanno distribuzione esponenziale, come dimostrò Stefan Machlup nel 1954, l’autocorrelazione delle fluttuazioni è esponenziale, con una costante di tempo τ\tau legata ai due tempi, e lo spettro è una lorentziana: piatto fino a 1/2πτ1/2\pi\tau, poi in calo come 1/f21/f^2. È la somma di molte trappole con tempi diversi a dare 1/f1/f.

Proposizione (somma di lorentziane)

Se molte sorgenti indipendenti con la stessa varianza σ2\sigma^2 hanno spettri lorentziani 4σ2τ/[1+(2πfτ)2]4\sigma^2\tau/[1 + (2\pi f\tau)^2], con costanti di tempo distribuite uniformemente in scala logaritmica tra τ1\tau_1 e τ2\tau_2, cioè con densità di probabilità 1/[τln(τ2/τ1)]1/[\tau\ln(\tau_2/\tau_1)], lo spettro medio per sorgente è, per 1/2πτ2f1/2πτ11/2\pi\tau_2 \ll f \ll 1/2\pi\tau_1,

S(f)σ2ln(τ2/τ1)1f.S(f) \simeq \frac{\sigma^2}{\ln(\tau_2/\tau_1)}\,\frac{1}{f} .
Dimostrazione.

La media degli spettri sulla distribuzione dei tempi è

S(f)=τ1τ24σ2τ1+(2πfτ)2dττln(τ2/τ1)=4σ2ln(τ2/τ1)arctan(2πfτ2)arctan(2πfτ1)2πf.\begin{aligned} S(f) &= \int_{\tau_1}^{\tau_2}\frac{4\sigma^2\tau}{1 + (2\pi f\tau)^2}\,\frac{d\tau}{\tau\ln(\tau_2/\tau_1)} \\[0.5em] &= \frac{4\sigma^2}{\ln(\tau_2/\tau_1)}\,\frac{\arctan(2\pi f\tau_2) - \arctan(2\pi f\tau_1)}{2\pi f} . \end{aligned}

Nell’intervallo di frequenze dell’enunciato 2πfτ212\pi f\tau_2 \gg 1 e 2πfτ112\pi f\tau_1 \ll 1, la differenza degli arcotangenti tende a π/2\pi/2, e S(f)4σ2(π/2)/[2πfln(τ2/τ1)]S(f) \simeq 4\sigma^2(\pi/2)/[2\pi f\ln(\tau_2/\tau_1)].

Fine della dimostrazione.

La distribuzione logaritmica dei tempi, proposta da Alan McWhorter nel 1957, viene naturalmente dal meccanismo fisico: un portatore raggiunge una trappola dentro l’ossido per effetto tunnel, e il tempo cresce in modo esponenziale con la distanza della trappola dall’interfaccia. Trappole distribuite uniformemente in profondità danno tempi distribuiti uniformemente in scala logaritmica.

Dal rumore telegrafico al rumore 1/f Grafico logaritmico della densità spettrale in funzione della frequenza, da 0,1 hertz a 1 megahertz. Undici curve sottili, una per trappola: ognuna è piatta fino alla sua frequenza caratteristica e poi scende di due decadi per decade; le frequenze caratteristiche sono distribuite regolarmente da circa 0,2 hertz a 16 kilohertz. La curva arancio, la loro somma, tra queste frequenze scende di una sola decade per decade, come un rumore 1 su f. 0,1 Hz10 Hz1 kHz100 kHz 1/f S(f)

Gli spettri lorentziani di undici trappole con costanti di tempo da 1010 μs a 11 s, una ogni mezza decade, e la loro somma, arancio, che nell’intervallo delle loro frequenze caratteristiche scende di una decade per decade, come la retta tratteggiata 1/f1/f.

Per questo i MOSFET, con l’interfaccia tra silicio e ossido ricca di difetti proprio accanto al canale, hanno molto più rumore flicker dei transistori bipolari e dei JFET, dove la corrente scorre lontano dalle superfici. Nei datasheet degli operazionali la densità di rumore di tensione si scrive spesso en(f)=ew1+fc/fe_n(f) = e_w\sqrt{1 + f_c/f}, con ewe_w il livello bianco e fcf_c la frequenza d’angolo, alla quale i due contributi si uguagliano: da qualche hertz per i bipolari di precisione a qualche kilohertz per molti CMOS. Il rumore a bassa frequenza si dà anche come valore da picco a picco tra 0,10{,}1 e 1010 Hz.

Rumore di tensione di due operazionali Grafico logaritmico della densità di rumore di tensione in nanovolt per radice di hertz, da 1 a 1000, in funzione della frequenza da 0,1 hertz a 100 kilohertz. La curva blu, di un operazionale bipolare, vale 3 nanovolt ad alta frequenza e sale a bassa frequenza sotto i 10 hertz. La curva arancio, di un operazionale CMOS, vale 10 nanovolt ad alta frequenza e comincia a salire già sotto i 2 kilohertz, fino a quasi 1500 nanovolt a 0,1 hertz. 1101001000 0,1 Hz10 Hz1 kHz100 kHz fc = 10 Hz fc = 2 kHz en (nV/√Hz)

La densità di rumore di tensione di un operazionale bipolare, blu, con 33 nV/√Hz e frequenza d’angolo di 1010 Hz, e di uno CMOS, arancio, con 1010 nV/√Hz e frequenza d’angolo di 22 kHz. Il punto segna la frequenza d’angolo, dove la densità è 2\sqrt2 volte il livello bianco.

Nel tempo i due rumori si riconoscono a occhio. Il rumore bianco cambia a ogni istante e resta attorno allo zero; il rumore 1/f1/f vaga, con escursioni lente che durano tanto più quanto più a lungo si osserva. Per questo il rumore flicker è il nemico delle misure lente e delle misure in continua, e il motivo per cui l’ultima parte del percorso sposta i segnali lontano dalle basse frequenze.

Rumore bianco e rumore 1/f Due tracce di rumore con la stessa ampiezza efficace. In alto il rumore bianco: fitto, ogni campione indipendente dagli altri, sempre attorno allo zero. In basso il rumore 1 su f: si muove lentamente, si allontana dallo zero per lunghi tratti e ci torna, con escursioni che durano anche buona parte della finestra. rumore bianco rumore 1/f

Quattrocento campioni di rumore bianco, sopra, e di rumore 1/f1/f con la stessa varianza, sotto, ottenuto sommando processi con costanti di tempo da 11 a 10241024 campioni.

Esercizi risolti e commentati

Esercizio 1. Quanto vale il rumore termico efficace di un resistore da 11 kΩ\Omega e di uno da 11 MΩ\Omega, a 300300 K, in una banda di 1010 kHz? E la corrente di rumore del secondo, in cortocircuito?

Soluzione. 4kTRB\sqrt{4kTR\,B}: per 11 kΩ\Omega 4,07 nV/√Hz100 Hz=0,414{,}07\ \text{nV/√Hz}\cdot100\ \sqrt{\text{Hz}} = 0{,}41 μV, per 11 MΩ\Omega 12,912{,}9 μV. La corrente di rumore del secondo è 4kT/R=0,13\sqrt{4kT/R} = 0{,}13 pA/√Hz, cioè 1313 pA efficaci in 1010 kHz.

Commento. Un ohm vale circa 0,130{,}13 nV/√Hz, e la radice della resistenza fa il resto: la regola «44 nV/√Hz per ogni kiloohm, sotto radice» si ricorda facilmente. Nei circuiti che amplificano tensioni si preferiscono resistenze piccole; in quelli che amplificano correnti, come i transimpedenza, resistenze grandi.

Esercizio 2. Un convertitore a 1616 bit con fondo scala di 22 V campiona la tensione su un condensatore. Quale capacità serve perché il rumore kT/CkT/C a 300300 K resti sotto mezzo livello di quantizzazione?

Soluzione. Un livello vale 2 V/65536=30,52\ \text{V}/65\,536 = 30{,}5 μV, mezzo livello 15,315{,}3 μV. Da kT/C(15,3 μV)2kT/C \le (15{,}3\ \mu\text{V})^2 si ha C4,14×1021/2,33×1010=18C \ge 4{,}14\times10^{-21}/2{,}33\times10^{-10} = 18 pF.

Commento. Nei circuiti integrati i condensatori di campionamento occupano area, e la capacità si sceglie a partire da questo conto. Raffreddare aiuta poco: a 7777 K, la temperatura dell’azoto liquido, il rumore scende solo di un fattore due.

Esercizio 3. Un fotodiodo dà 11 nA e si legge con un transimpedenza con RF=1R_F = 1 GΩ\Omega. Quale rumore di corrente domina? Qual è il rapporto tra corrente e rumore in una banda di 1010 Hz?

Soluzione. Il rumore shot della fotocorrente è 2q109=17,9\sqrt{2q\cdot10^{-9}} = 17{,}9 fA/√Hz, quello termico del resistore di retroazione 4kT/RF=4,07\sqrt{4kT/R_F} = 4{,}07 fA/√Hz. Sommati in quadratura danno 18,418{,}4 fA/√Hz: domina il rumore shot. In 1010 Hz il rumore è 5858 fA, e il rapporto con la corrente è 1 nA/58 fA=1,7×1041\ \text{nA}/58\ \text{fA} = 1{,}7\times10^4.

Commento. Il rumore shot della luce stessa è un limite che nessun amplificatore può superare. Il resistore conta solo se RFR_F è piccolo: il rumore termico eguaglia quello shot quando 4kT/RF=2qI4kT/R_F = 2qI, cioè RF=2VT/IR_F = 2V_T/I, 5252 MΩ\Omega con 11 nA.

Esercizio 4. Un transistore bipolare lavora con IC=1I_C = 1 mA. Il rumore shot della corrente di collettore, riportato all’ingresso come tensione dividendo per la transconduttanza, a quale resistenza con rumore termico equivale?

Soluzione. gm=IC/VT=38,7g_m = I_C/V_T = 38{,}7 mS. La tensione equivalente ha densità 2qIC/gm2=2qVT2/IC=2kT/gm=4kT1/2gm2qI_C/g_m^2 = 2qV_T^2/I_C = 2kT/g_m = 4kT\cdot1/2g_m: è il rumore termico di una resistenza 1/2gm=12,9 Ω1/2g_m = 12{,}9\ \Omega, cioè 0,460{,}46 nV/√Hz.

Commento. Più corrente vuol dire meno rumore di tensione, ed è per questo che gli stadi di ingresso degli amplificatori a basso rumore lavorano con correnti alte. Il prezzo è la corrente di base, e con lei il rumore shot di corrente all’ingresso, 2qIB2qI_B: il prossimo articolo mostra come i due si bilanciano con la resistenza della sorgente.

Esercizio 5. Un operazionale ha ew=10e_w = 10 nV/√Hz e frequenza d’angolo di 100100 Hz. Quanto vale il rumore efficace tra 0,10{,}1 e 1010 Hz, e quale valore da picco a picco ci si aspetta?

Soluzione. en2=ew2(1+fc/f)e_n^2 = e_w^2(1 + f_c/f). La parte 1/f1/few2fcln(10/0,1)=10161004,6=4,6×1014e_w^2f_c\ln(10/0{,}1) = 10^{-16}\cdot100\cdot4{,}6 = 4{,}6\times10^{-14} V², la parte bianca 10169,9=101510^{-16}\cdot9{,}9 = 10^{-15} V². In tutto 217217 nV efficaci, e circa 1,41{,}4 μV da picco a picco, con il fattore 6,66{,}6 che i costruttori usano per un rumore gaussiano.

Commento. Nella banda da 0,10{,}1 a 1010 Hz il rumore bianco conta meno del 3%: domina il flicker, e allargare la banda verso il basso aggiunge rumore a ogni decade. Per le misure in continua di precisione si usano operazionali con frequenza d’angolo bassissima, o gli operazionali chopper dell’ultimo articolo, che il rumore flicker lo spostano via.

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