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Milano, 22 Luglio 2009




    REALIZZAZIONE DI UN
 ANALIZZATORE DI SPETTRO A
 CROSS-CORRELAZIONE PER
 MISURE A LARGA BANDA DEL
   RUMORE DI CORRENTE

Autore: Paolo Manicardi

  Relatore: Giorgio Ferrari
Tecnica della cross-correlazione
                                              DIGITALE
    ANALOGICA               Selettore di
        Amplificatore         banda
                                               Segnale di DUT
                                                   in fase                 Valore
                                                                       proporzionale
                                                                       al segnale del
                                 B                         Mediatore        DUT



D                                                                       Out
U
T
                                 B
                                           Rumore non in
                                               fase             Valore medio
                                                                    nullo



                        RIPROGETTAZIONE
                        AGGIUNTE FUNZIONALITA'

                        REALIZZAZIONE
                                                                                        2
Front-end in corrente
                                               i2R                    ●POLARIZZAZIONE DIRETTA DEL DUT
                                                                      ●LETTURA CORRENTE DUT

                                               Rf                                                                          2


                                                                                                                  
                                                                 ________       _____             _____
                                                                                            4 KT            1      RF
              Cp                                              i n ,incorrelato ≃i 2 , OA
                                                                2
                                                                                  n              e 2 , OA⋅ 2 ⋅ 1
                                                                                                    n
                                                                                             RF            RF      ZD

                      i2n                A1 ( s )
                                                               RUMORE INCORRELATO                                              TEMPO DI MISURA
    CD                        en
                               2
                                                                   ________             ____
                                                                                                    1  1      1                               
                                                                                                                   + ω 2 ⋅ C D ⋅ ( C D + C p ) 
                               Vsource
Vgate                                          i2R             i   2
                                                                                   ≅ 2⋅ e2
                                                                                                 ⋅  ⋅      +
                                                                   n , correlato        n ,O A
         RD
               IBIAS+NOISE
                                                                                                    R D  R D RF                               
   DUT                                         Rf               RUMORE CORRELATO                                               SENSIBILITA' STRUMENTO

              Cp                                                                                    BASSA RD                     BASSA SENSIBILITA'
                                        A2 ( s )
                      i2n
                             e2 n
                               Vdrain                ●BANDA                                        THS4021
                                                     ●BIAS DUT

                                                     ●RUMORE

                                                     ●STABILITA'



                                                                                                                                                      3
RETE Vgate-source
RDUT BASSA           BASSA SENSIBILITA'                SOLUZIONE: Vgs floating'    R0 da entrambi i canali

              e2 n                                                                PROBLEMA: RUMORE DI TENSIONE
                                                           R0                           DEL BUFFER=Vgs


                               C1                                                  GENERO RUMORE CORRELATO
                      e2 n
                                VBIAS+
                                               VBIAS+Vin                            RISOLVO FILTRANDO CON R1C1
                        R1
                                                                                  INTRODUCO RUMORE INCORRELATO


                                                                                          R1=1MegaOhm
                                                                                          C1=10uF




                                                            R0



      MISURA gm
 C2 mantiene VBIAS           R2C2=passa-alto



    INOLTRE
    POSSIBILITA' RIFERIMENTO Vgs ESTERNO
                                                                                                             4
Generatore di segnale

solo rumore bianco
ma dispositivi hanno 1/f




                                AC
                           AC

                  GIDEALE




                                                   5
 φm≈90°        Gm≈30dB
Misure su dispositivi esterni
                   TRANSIMPEDENZA
                                                                         CF            STABILE 400pF
                                 CF2                                                   INSTABILITA' !
                                                                     CF F
                                                                      R
                                                                                       MA RUMOROSO
                                 RF
                                                                         RF
                                               RF              A1 ( s )
                          A1 ( s )            CCOAX
           CCOAX                                              A1 ( s )
                    e2n      VBIAS     1,5k           VBIAS

                          100u                        VBIAS              BUFFER




                                                                                  ●soluzione interna
                                                                                  ●uguali polarizzazioni

                                                                                  ●uguale funzionamento

                                                                                  ●dati comparabili

          ADD-ON PCB




                                                                   FRONT-END                               6

ESTERNO                                                            FISSO
Secondo stadio e filtri anti-aliasing



ACCOPPIAMENTO
      AC



                                                             ADATTAMENTO




 RIDUZIONE
TRANSITORIO
                      GAIN=90/900
                      BANDA>100MHz



                                     RIDUZIONE OFFSET
              UAF42                            UAF42
                                                        50
 50    2° order              X10      2° order
       butterworth                    butterworth
       5kHz                           5kHz                          OUT    7
Lo strumento
                                              riduzione cross-talk
                                              doppia alimentazione

                              FILTRI          componenti SMD
                              ANTI ALIASING
                                              socket di connessione
DRAIN   SOURCE
                                              riferimenti interni/esterni
                 GENERATORE
                    RUMORE                    connessioni ausiliarie
          Vgs




                                                                    8
Lo strumento




RIFERIMENTI   SPECIFICI                     REGOLAZIONE E
                            MISURA RUMORE/
  ESTERNI     DEPMOS      TRANSCONDUTTANZA VISUALIZZAZIONE
                                             TENSIONI DI
                                           POLARIZZAZIONE


                                                       9
Misure sperimentali




Rin=Rf=10k                effetti di CIN e rete bias buffer Vgs




                                                            10
2N4416 N-channel JFET Vds=-5V Vgsoff≈-3V



                                                    1/f2




alta frequenza
                                                unione bassa+alta frequenza


    spettro 1/f2

                   probabile altra Lorentziana a bassissime frequenze         11
Jfet & Mosfet By Max Planck




                              12

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Correlation Spectrum Analyzer

  • 1. Milano, 22 Luglio 2009 REALIZZAZIONE DI UN ANALIZZATORE DI SPETTRO A CROSS-CORRELAZIONE PER MISURE A LARGA BANDA DEL RUMORE DI CORRENTE Autore: Paolo Manicardi Relatore: Giorgio Ferrari
  • 2. Tecnica della cross-correlazione DIGITALE ANALOGICA Selettore di Amplificatore banda Segnale di DUT in fase Valore proporzionale al segnale del B Mediatore DUT D Out U T B Rumore non in fase Valore medio nullo RIPROGETTAZIONE AGGIUNTE FUNZIONALITA' REALIZZAZIONE 2
  • 3. Front-end in corrente i2R ●POLARIZZAZIONE DIRETTA DEL DUT ●LETTURA CORRENTE DUT Rf 2   ________ _____ _____ 4 KT 1 RF Cp i n ,incorrelato ≃i 2 , OA 2 n e 2 , OA⋅ 2 ⋅ 1 n RF RF ZD i2n A1 ( s ) RUMORE INCORRELATO TEMPO DI MISURA CD en 2 ________ ____  1  1 1    + ω 2 ⋅ C D ⋅ ( C D + C p )  Vsource Vgate i2R i 2 ≅ 2⋅ e2 ⋅  ⋅  + n , correlato n ,O A RD IBIAS+NOISE  R D  R D RF   DUT Rf RUMORE CORRELATO SENSIBILITA' STRUMENTO Cp BASSA RD BASSA SENSIBILITA' A2 ( s ) i2n e2 n Vdrain ●BANDA THS4021 ●BIAS DUT ●RUMORE ●STABILITA' 3
  • 4. RETE Vgate-source RDUT BASSA BASSA SENSIBILITA' SOLUZIONE: Vgs floating' R0 da entrambi i canali e2 n PROBLEMA: RUMORE DI TENSIONE R0 DEL BUFFER=Vgs C1 GENERO RUMORE CORRELATO e2 n VBIAS+ VBIAS+Vin RISOLVO FILTRANDO CON R1C1 R1 INTRODUCO RUMORE INCORRELATO R1=1MegaOhm C1=10uF R0 MISURA gm C2 mantiene VBIAS R2C2=passa-alto INOLTRE POSSIBILITA' RIFERIMENTO Vgs ESTERNO 4
  • 5. Generatore di segnale solo rumore bianco ma dispositivi hanno 1/f AC AC GIDEALE 5 φm≈90° Gm≈30dB
  • 6. Misure su dispositivi esterni TRANSIMPEDENZA CF STABILE 400pF CF2 INSTABILITA' ! CF F R MA RUMOROSO RF RF RF A1 ( s ) A1 ( s ) CCOAX CCOAX A1 ( s ) e2n VBIAS 1,5k VBIAS 100u VBIAS BUFFER ●soluzione interna ●uguali polarizzazioni ●uguale funzionamento ●dati comparabili ADD-ON PCB FRONT-END 6 ESTERNO FISSO
  • 7. Secondo stadio e filtri anti-aliasing ACCOPPIAMENTO AC ADATTAMENTO RIDUZIONE TRANSITORIO GAIN=90/900 BANDA>100MHz RIDUZIONE OFFSET UAF42 UAF42 50 50 2° order X10 2° order butterworth butterworth 5kHz 5kHz OUT 7
  • 8. Lo strumento riduzione cross-talk doppia alimentazione FILTRI componenti SMD ANTI ALIASING socket di connessione DRAIN SOURCE riferimenti interni/esterni GENERATORE RUMORE connessioni ausiliarie Vgs 8
  • 9. Lo strumento RIFERIMENTI SPECIFICI REGOLAZIONE E MISURA RUMORE/ ESTERNI DEPMOS TRANSCONDUTTANZA VISUALIZZAZIONE TENSIONI DI POLARIZZAZIONE 9
  • 10. Misure sperimentali Rin=Rf=10k effetti di CIN e rete bias buffer Vgs 10
  • 11. 2N4416 N-channel JFET Vds=-5V Vgsoff≈-3V 1/f2 alta frequenza unione bassa+alta frequenza spettro 1/f2 probabile altra Lorentziana a bassissime frequenze 11
  • 12. Jfet & Mosfet By Max Planck 12