Ruído

O ruído pode ser definido como uma perturbação indesejada no sistema, que pode tanto ser provocada por interferência humana como ser gerada naturalmente. Desco- brir e inibir as fontes de ruído indesejadas é uma das principais funções dos projetistas de RF, já que o ruído pode provocar uma leitura errada do sinal recebido. Em transistores, existem três tipos de ruídos que devem ser analisados, são eles: ruído térmico, shot e fliker. O ruído térmico é causado pelo movimento aleatório de portadores de cargas dentro dos condutores, acarretando em uma tensão e uma corrente aleatórias que produzem o ruído. À medida que a temperatura do condutor aumenta, o movimento aleatório das cargas também aumenta, fazendo com que o ruído seja incrementado [4]. A equação (2.30) que calcula a tensão gerada pela movimentação das cargas é dada por,

V =√4KT RB, (2.30)

onde V é a tensão de ruído RMS em volts, k é a constante de Boltzman, T é a temperatura absoluta em Kelvin, R é a resistência do condutor em ohms e B é a largura de banda em

hertz.

A equação (2.30) explicita que o ruído térmico depende da resistência do condutor e da largura de banda do dispositivo, o que mostra que todo componente pode gerar ruído térmico. Mas deve-se observar que quanto maior a largura de banda maior será o ruído, por isso não é aconselhável ter uma largura de banda excedente.

O ruído shot é um tipo de ruído natural gerado pelos portadores de cargas e é causado pelo fluxo de corrente através de uma barreira de potencial, como numa junção PN, sendo que a corrente é gerada pela passagem de elétrons de um terminal para outro. Qualquer flutuação no número de portadores de cargas, em qualquer instante, produz uma mudança na corrente aleatória instantânea, conhecida como ruído e expressa como,

I_n2 = 2qIdcB, (2.31)

onde I2

né a corrente de ruído média ao quadrado,q é a carga de um elétron, Idc é a corrente

direta em Amperes e B é a largura de banda em Hertz. O ruído shot é incrementado com a corrente Idc, uma vez que ela determina a quantidade de portadores disponíveis.

Sendo assim, o ruído shot pode ser minimizado reduzindo a corrente DC. Infelizmente, essa redução fará com que o ganho máximo que possa ser gerado diminua e, por essa razão, é necessário um equilíbrio entre essas duas variáveis.

Por fim, existe também o ruído fliker que é ocasionado pela formação aleatória de armadilhas nos materiais, ocasionadas por impurezas encontradas nesses elementos. A maioria dessa impurezas estão localizadas nas superfícies dos semicondutores. Dependendo se o fluxo de corrente dos portadores de carga é paralelo ou perpendicular às armadilhas geradas pelas impurezas, pode-se ter um ruído fliker menor ou maior, respectivamente [8], como mostra a Figura 2.12.

Figura 2.12: Ilustração do fluxo de corrente vertical (como nos transistores bipolares) e horizontal (como nos FETs) com respeito às armadilhas na superfície.

O ruído fliker é inversamente proporcional à frequência, pois a probabilidade de formação de armadilhas aumenta com o tempo de propagação dos portadores. Por isso, o ruído fliker é referenciado como ruído 1/f. A densidade de corrente do ruído fliker pode

ser estimada por:

I_{f l}2 = I_{f l0}2 · fr

f . (2.32)

onde I2

f l0 é corrente gerada pela contribuição de ruído na frequência de referência fr.

É possível concluir que o ruído fliker é maior nas baixas frequências, sendo sua contribuição muito maior que a de outros mecanismos de produção de ruído nessa faixa de operação. Existe um ponto na faixa de frequências em que o ruído fliker se torna igual ao ruído térmico e a partir dali somente o ruído térmico é levado em consideração. Essa frequência é chamada de frequência de canto (corner frequency) [8]. Como o ruído

fliker tem maior impacto em baixas frequências, os dispositivos que operam na região DC

sofrem com a sua presença. Já em frequências de radiofrequência, este tipo de ruído não produz impacto suficiente para causar danos ao sinal.

Para fazer a medida real e total de ruído em um dispositivo, uma figura de mérito, chamada de figura de ruído (Noise Figure – NF), é utilizada. A figura de ruído compara o ruído da rede com o ruído ideal de uma rede sem ruído, isto é, mede a degradação da relação sinal-ruído (Signal-to-Noise Ratio - SNR) entre as portas de entrada e de saída do sistema. O fator de ruído F é o valor absoluto da figura de ruído, que é dada em dB, tal que,

F = SN Rin SN Rout

, (2.33)

sendo a figura de ruído dada por,

N F = 10 log(10)F. (2.34)

Para calcular o ruído de uma rede em cascata se utiliza a fórmula de Friis, mostrada na equação (1.1). É interessante observar que para um único dispositivo que possua mais de um estágio, essa mesma fórmula deve ser aplicada para encontrar o fator de ruído correspondente. Se o primeiro estágio apresentar um ganho muito alto, isso fará com que a contribuição de ruído dos demais estágios seja pequena. Sendo assim, a figura de ruído de um sistema em cascata será dominada, basicamente, pelo primeiro estágio. Um amplificador de baixo ruído, como o próprio nome diz, é projetado para gerar um baixo ruído porque ele é, geralmente, o primeiro bloco a ser inserido em um sistema de recepção.

O estudo realizado sobre os conceitos mais básicos que envolvem um transis- tor, como estabilidade, ganho, linearidade e ruído, permite que o desenvolvimento do amplificador de baixo ruído seja feito da maneira mais eficaz possível.