Wzmacniacz o niskim poziomie szumów
Wzmacniacz niskoszumowy ( LNA ) to wzmacniacz elektroniczny , który wzmacnia sygnał o bardzo niskim poborze mocy bez znaczącego pogorszenia stosunku sygnału do szumu . Wzmacniacz zwiększy moc zarówno sygnału, jak i szumu obecnego na jego wejściu, ale wzmacniacz wprowadzi również dodatkowe szumy. LNA są zaprojektowane tak, aby zminimalizować ten dodatkowy szum. Projektanci mogą zminimalizować dodatkowy hałas, wybierając komponenty o niskim poziomie hałasu, punkty pracy i topologie obwodów. Minimalizacja dodatkowego hałasu musi być zrównoważona z innymi celami projektowymi, takimi jak zwiększenie mocy i dopasowanie impedancji .
LNA można znaleźć w systemach komunikacji radiowej , instrumentach medycznych i elektronicznym sprzęcie testowym . Typowa LNA może zapewnić wzmocnienie mocy 100 (20 decybeli (dB)) przy jednoczesnym zmniejszeniu stosunku sygnału do szumu o współczynnik mniejszy niż dwa (współczynnik szumu (NF) 3 dB). Chociaż LNA zajmują się przede wszystkim słabymi sygnałami, które znajdują się tuż powyżej poziomu szumów , muszą również brać pod uwagę obecność większych sygnałów, które powodują zniekształcenia intermodulacyjne .
Komunikacja
Anteny są częstym źródłem słabych sygnałów. Antena zewnętrzna jest często połączona z odbiornikiem za pomocą linii transmisyjnej zwanej linią zasilającą . Straty w linii zasilającej obniżają odbierany stosunek sygnału do szumu: strata w linii zasilającej o 3 dB obniża stosunek sygnału do szumu odbiornika (SNR) o 3 dB .
Przykładem jest linia zasilająca wykonana z 10 stóp (3,0 m) kabla koncentrycznego RG-174 i używana z odbiornikiem globalnego systemu pozycjonowania (GPS). Strata w tej linii zasilającej wynosi 3,2 dB przy 1 GHz ; około 5 dB przy częstotliwości GPS ( 1,575 42 GHz ). Tej utraty linii zasilającej można uniknąć, umieszczając LNA na antenie, która zapewnia wystarczający zysk, aby zrekompensować straty.
LNA to kluczowy element na froncie obwodu odbiornika radiowego , który pomaga w szczególności w redukcji niepożądanych szumów. Wzory Friisa na szum modelują szum w wielostopniowym obwodzie zbierania sygnału. W większości odbiorników ogólny NF jest zdominowany przez kilka pierwszych etapów przedniego końca RF .
Dzięki zastosowaniu LNA blisko źródła sygnału efekt szumu z kolejnych etapów łańcucha odbiorczego w obwodzie jest redukowany przez wzmocnienie sygnału wytwarzane przez LNA, podczas gdy szum wytwarzany przez samą LNA jest wstrzykiwany bezpośrednio do odbieranego sygnału . LNA zwiększa moc żądanych sygnałów, jednocześnie dodając jak najmniej szumów i zniekształceń. Praca wykonywana przez LNA umożliwia optymalne odzyskanie pożądanego sygnału w późniejszych etapach systemu.
Rozważania projektowe
Wzmacniacze o niskim poziomie szumów są elementami składowymi systemów i instrumentów komunikacyjnych. Najważniejsze specyfikacje lub atrybuty LNA to:
- Osiągać
- Liczba szumów
- Liniowość
- Maksymalne wejście RF
Dobra LNA ma niski NF (np. 1 dB ), wzmocnienie wystarczające do wzmocnienia sygnału (np. 10 dB ) oraz wystarczająco duży punkt intermodulacji i kompresji (IP3 i P1dB), aby wykonać wymaganą od niego pracę. Dalsze specyfikacje to szerokość pasma roboczego LNA, płaskość wzmocnienia, stabilność, współczynnik fali stojącej napięcia wejściowego i wyjściowego (VSWR).
Aby uzyskać niski poziom szumów, wymagane jest wysokie wzmocnienie wzmacniacza w pierwszym stopniu. Dlatego często stosuje się tranzystory polowe złączowe (JFET) i tranzystory o dużej ruchliwości elektronów (HEMT). Są napędzane w trybie wysokoprądowym, który nie jest energooszczędny, ale zmniejsza względną ilość hałasu wystrzału . Wymaga również dopasowujących impedancję wejściową i wyjściową dla obwodów wąskopasmowych w celu zwiększenia wzmocnienia ( patrz produkt Gain-bandwidth ).
Osiągać
Wzmacniacze potrzebują urządzenia, które zapewni wzmocnienie. W latach czterdziestych tym urządzeniem była lampa próżniowa , ale teraz jest to zwykle tranzystor. Tranzystor może być jedną z wielu odmian tranzystorów bipolarnych lub tranzystorów polowych . Można zastosować inne urządzenia wytwarzające wzmocnienie, takie jak diody tunelowe .
Mówiąc ogólnie, w projektowaniu LNA stosowane są dwie kategorie modeli tranzystorowych: modele małosygnałowe wykorzystują quasi-liniowe modele szumu, a modele wielkosygnałowe uwzględniają mieszanie nieliniowe.
Wielkość zastosowanego wzmocnienia jest często kompromisem. Z jednej strony duże wzmocnienie sprawia, że słabe sygnały stają się mocne. Z drugiej strony wysokie wzmocnienie oznacza sygnały o wyższym poziomie, a takie sygnały o wysokim poziomie i wysokim wzmocnieniu mogą przekraczać zakres dynamiczny wzmacniacza lub powodować inne rodzaje szumów, takie jak zniekształcenia harmoniczne lub nieliniowe miksowanie.
Liczba szumów
Współczynnik szumu pomaga określić wydajność konkretnego LNA. Przydatność LNA do konkretnego zastosowania jest zwykle oparta na współczynniku szumów. Ogólnie rzecz biorąc, niski współczynnik szumów skutkuje lepszym odbiorem sygnału.
Impedancja
Topologia obwodu wpływa na impedancję wejściową i wyjściową. Zasadniczo impedancja źródła jest dopasowywana do impedancji wejściowej, ponieważ maksymalizuje to transfer mocy ze źródła do urządzenia. Jeśli impedancja źródła jest niska, odpowiednia może być topologia obwodu ze wspólną bazą lub ze wspólną bramką . W przypadku średniej impedancji źródła można zastosować topologię wspólnego emitera lub wspólnego źródła . Przy wysokiej rezystancji źródła odpowiednia może być topologia wspólnego kolektora lub wspólnego drenu . Dopasowanie impedancji wejściowej może nie generować najniższego współczynnika szumów.
Stronniczy
Innym problemem projektowym jest szum wprowadzany przez sieci polaryzacyjne .
Aplikacje
LNA są używane w odbiornikach komunikacyjnych, takich jak telefony komórkowe, odbiorniki GPS , bezprzewodowe sieci LAN (WiFi) i komunikacja satelitarna .
W systemie komunikacji satelitarnej antena odbiorcza stacji naziemnej wykorzystuje LNA, ponieważ odbierany sygnał jest słaby, ponieważ satelity mają ograniczoną moc i dlatego używają nadajników o małej mocy. Satelity są również odległe i tracą ścieżkę : satelity na niskiej orbicie okołoziemskiej mogą znajdować się w odległości 120 mil (190 km); satelita geosynchroniczny znajduje się w odległości 22 236 mil (35 785 km).
LNA wzmacnia sygnał anteny, aby przezwyciężyć straty w linii zasilającej między anteną a odbiornikiem.
LNA mogą zwiększyć wydajność systemów odbiorników radiowych definiowanych programowo (SDR). Reflektory SDR są zwykle projektowane jako uniwersalne, dlatego współczynnik szumów nie jest optymalizowany dla żadnego konkretnego zastosowania. Z LNA i odpowiednim filtrem wydajność jest lepsza w całym zakresie częstotliwości.
Zobacz też
Dalsza lektura
- Motchenbacher, CD; Connelly, JA (1993), Projektowanie systemów elektronicznych o niskim poziomie szumów , John Wiley, ISBN 978-0471577423