Collana di Fisica e Astronomia Acuradi: MicheleCini StefanoForte MassimoInguscio GuidaMontagna OresteNicrosini FrancoPacini LucaPeliti AlbertoRotondi Giovanni Vittorio Pallottino Il rumore elettrico Dalla fisica alla progettazione GIOVANNIVITTORIOPALLOTTINO DipartimentodiFisica Universita` diRomaLaSapienza Contenutiintegrativialpresentevolumepossonoessereconsultatisuhttp://extras.springer.com, password978-88-470-1985-0 UNITEXT-CollanadiFisicaeAstronomia ISSNprintedition:2038-5730 ISSNelectronicedition:2038-5765 ISBN978-88-470-1985-0 e-ISBN978-88-470-1986-7 DOI10.1007/978-88-1986-7 Additional material to this book can be downloaded from http://extras.springer.com. SpringerMilanDordrechtHeidelbergLondonNewYork (cid:2)c Springer-VerlagItalia2011 Quest’opera e` protetta dalla legge sul diritto d’autore e la sua riproduzione e` ammessa solo ed esclusivamenteneilimitistabilitidallastessa.Lefotocopieperusopersonalepossonoessereef- fettuateneilimitidel15%diciascunvolumedietropagamentoallaSIAEdelcompensoprevisto dall’art.68.Leriproduzioniperusononpersonalee/ooltreillimitedel15%potrannoavveniresolo aseguitodispecificaautorizzazionerilasciatadaAIDRO,CorsodiPortaRomanan.108,Milano 20122,[email protected]. Tuttiidiritti,inparticolarequellirelativiallatraduzione,allaristampa,all’utilizzodiillustrazioni etabelle,allacitazioneorale,allatrasmissioneradiofonicaotelevisiva,allaregistrazionesumicro- filmoindatabase,oallariproduzioneinqualsiasialtraforma(stampataoelettronica)rimangono riservatianchenelcasodiutilizzoparziale.Laviolazionedellenormecomportalesanzionipreviste dallalegge. L’utilizzoinquestapubblicazionedidenominazionigeneriche,nomicommerciali,marchiregistra- ti,ecc.anchesenonspecificatamenteidentificati,nonimplicachetalidenominazioniomarchinon sianoprotettidallerelativeleggieregolamenti. Copertina:SimonaColombo,Milano Impaginazione:CompoMatS.r.l.,Configni(RI) Stampa:GrafichePorpora,Segrate(MI) StampatoinItalia Springer-VerlagItaliaS.r.l.,ViaDecembrio28,I-20137Milano SpringerfapartediSpringerScience + BusinessMedia(www.springer.com) Indice Prefazione......................................................... IX Premessa .......................................................... XI 1 Introduzionealrumore ......................................... 1 2 Lacaratterizzazionematematicadelrumore ...................... 5 2.1 Densita` diprobabilita`,valormedioevaloreefficace ............. 6 2.2 Lefunzionidicorrelazione................................... 11 2.3 Spettridipotenzaespettridiampiezza......................... 13 3 Ilfiltraggiodelrumore.......................................... 17 3.1 Ilfiltraggioneldominiodellafrequenza ....................... 17 3.2 Labandaequivalentedirumore............................... 19 3.3 Iltempod’integrazioneequivalente ........................... 20 4 Ilrumoretermico .............................................. 23 4.1 Introduzionealrumoretermico ............................... 23 4.2 LaformuladiJohnson.L’originedelrumoretermicoelettrico ..... 28 4.3 LageneralizzazionedellaformuladiJohnson ................... 31 5 Ilrumoreshot ................................................. 37 6 Ilrumore1/f .................................................. 41 7 Ilrumorediquantizzazione ..................................... 47 8 Larappresentazionedelrumorenelleretielettriche................ 49 8.1 Ilrumoreneibipoli ......................................... 49 8.2 Ilrumorenelleretiadueporte................................ 53 vi Indice 9 Fattoredirumore,temperaturadirumore,... .................... 57 9.1 Ilfattoredirumore ......................................... 57 9.2 Latemperaturadirumoreeilnumerodirumore................. 60 9.3 Lacaricaequivalented’ingresso .............................. 63 9.4 Lapotenzaequivalentedirumore(NEP) ....................... 65 10 Ilrumoredeidispositivi......................................... 67 10.1 Componentipassivi......................................... 67 10.2 Idiodiagiunzione.......................................... 70 10.3 Transistoribipolari ......................................... 71 10.4 Transistoriaeffettodicampo................................. 74 10.5 Ilrumorenegliamplificatorioperazionali ...................... 78 10.6 CennisulrumoredeiDCSQUID ............................. 82 11 Generalita` sullaprogettazioneabassorumore..................... 87 11.1 Introduzioneallaprogettazioneabassorumore.................. 87 11.2 Lemisuredelrumore ....................................... 90 11.3 Letecnichediadattamentoalrumore(noisematching) ........... 92 11.4 Lacontroreazioneeilrumore ................................ 95 11.5 Unesempiodiprogettodipreamplificatoreabassorumore........ 97 12 Cennisull’estrazionedelsegnaledalrumore ...................... 99 12.1 Segnalicostanti(olentamentevariabili)........................ 99 12.2 Segnalisinusoidali .........................................101 12.3 Segnaliconspettrodiformanota .............................103 12.4 Segnaliconformad’ondanota ...............................105 12.5 Alcunetecnicheparticolari...................................107 12.5.1 Modulazionedelsegnaleeimpiegodiunamplificatore lock-in .............................................107 12.5.2 Latecnicadicorrelazioneaduecanali ..................110 12.5.3 Latecnicadellemediecorrelate ........................111 12.5.4 Ilcampionamentodoppiocorrelato(correlateddouble sampling)...........................................112 13 Impieghiutilidelrumore .......................................113 13.1 Lamisuradicostantifondamentaliedigrandezzefisiche .........113 13.2 L’impiegodelrumorecomesegnalecasuale ....................115 13.3 Ilraffreddamentodelrumoremediantelacontroreazione .........118 13.4 Ilrumorecomestrumentoconcettuale .........................120 A Richiamisuisistemi ............................................123 A.1 Classificazionedeisistemi ...................................123 A.2 Isistemilinearidinamici ....................................124 A.3 Ilrumoreneisistemilinearidinamici ..........................126 A.4 Ilrumoreneisisteminonlinearistatici .........................127 Indice vii B IprocessidiPoisson ............................................131 C Funzionidiautocorrelazioneespettriunilateri ....................135 D L’analogiadiMaxwell ..........................................137 Bibliografia........................................................139 Indiceanalitico.....................................................145 Prefazione Ho molto apprezzato la chiarezza dello stile pedagogico della trattazione, che ri- tengoconvenientesiaperunostudentecheaffrontaperlaprimavoltalostudiodei fenomenidelrumoresiaperchigia`disponediconoscenzealriguardo,mavorrebbe approfondirleerenderlepiu` sistematiche.Inquestosensoilpresentelibrosicolloca in una posizione intermedia ben definita fra le trattazioni matematiche riguardan- ti la teoria del rumore e i libri di natura tecnica contenenti dettagli sul rumore dei dispositivi e dei circuiti elettronici. Considero questo lavoro come un assai valido contributoallaformazioneculturalegeneralediunfisicoodiuningegnereelettro- nico,anchesenondestinatoadoperareprofessionalmentenelsettorespecificodella strumentazioneabassorumore. Mosca,febbraio2011 ValentinNikolaevichRudenko IstitutoAstronomicoSternberg,Universita` Lomonosov
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