7 основных советов по проектированию низкошумательных RF-усилителей

Новый захватывающий дизайн RF-фронтенда высокопроизводительных радиочастотных (RF) приемопередатчиков обеспечивает лучшую перспективную технологию. В общем, если планируете улучшить только за счет увеличения ширины транзистора или напряжения питания — возникнут проблемы проектирования. Потребуются более крупные PCB, больше потребление энергии. В статье представлены советы по структуре дизайна низкошумательного усилителя (LNA) для RF-приемников/передатчиков.

Поможем создать LNA печатные платы с максимальной производительностью при низком потреблении энергии.

Проектирование схемы низкошумательного усилителя с низким шумовым коэффициентом

Необходимо придумать инновационные схемы LNA для снижения потребления мощности и напряжения. LNA усиливает сигнальную мощность антенны, обеспечивая низкий шум. Должен обеспечивать достаточное усиление для преодоления шума последующих каскадов.

Обычно схема LNA имеет блоки согласования входного и выходного импеданса с усилительным блоком между ними. Нужно проверить ограничения усиления вашего RF-фронтенда и минимизировать шумовой коэффициент. Например, ограничение: максимально достижимое усиление 20 дБ на 2.4 ГГц.

Рекомендуем проектировать линейный низкошумательный усилитель с катушками индуктивности. Они реактивны и не вносят шум в плату. Факт: LC-резонанс всегда улучшает шумовые характеристики и усиление LNA.

Расчет шумового коэффициента и метрик производительности усиления

Мы сказали держать шумовой коэффициент платы низким. Но как убедиться? Нужно вывести формулу и провести анализ. Обычно получают шумовой коэффициент и метрики усиления для проверки активности LNA платы.

Усиление любого каскада LNA рассчитывают формулой с импедансом нагрузки и эффективной транскондуктансом транзисторов. Для шумового коэффициента используют общую формулу анализа:

Использование многослойной печатной платы низкошумательного усилителя

Важно: LNA плата работает на радиочастоте. 4-слойная топология обеспечивает постоянную экранирующую плоскость. Позволяет распределенную RF-развязку зоны питания DC между двумя главными экранирующими плоскостями.

Топология LNA требует общую RF-точку отсчета — RF-точку заземления для всех RF-сигналов с входного/выходного порта. Общее заземление гарантирует, что все точки на одном потенциале.

В 4-слойном дизайне: одна питающая плоскость, две экранирующие, один слой трассировки. Важно правильно спроектировать форму и ширину медных дорожек. Снижает распределенную индуктивность, емкость и сопротивление в схеме LNA.

4-слойная плата позволяет получить управляемый размер микрополосковой линии. Микрополосковая линия — высокопроводящий проводник на RF-плате. Можно связаться с производителем PCB для расчета параметров: диэлектрическая постоянка, вес меди, данные материалов, толщина ядра, стандартный стек слоев. Используя эту информацию, легко согласовать микрополосковую линию с требуемым импедансом. Наконец, спроектируйте полные смещающие трассы для снижения сопротивления пути.

Использование SMD-компонентов в плате низкошумательного усилителя

Поверхностный монтаж (SMT) — прямое монтирование компонентов на печатную плату. SMD дают более короткие медные дорожки и меньшие размеры платы LNA. В RF-цепи снижают паразитное сопротивление и емкость.

Связи между SMD-компонентами и землей держать короткими — для снижения импеданса. Можно спроектировать 2–3 параллельных виа на экранирующей плоскости.

Критично: определить рабочий температурный диапазон схемы LNA. SMD-компоненты должны функционировать в этом диапазоне. Для смещения, заземления, питания — банановые разъемы. Для RF-связности — SMA-разъемы в плате LNA. Малые размеры, широкий частотный диапазон, высокая надежность.

Выбор подходящего материала платы для схемы низкошумательного усилителя

Приемлемый материал платы помогает дизайну LNA. Смягчает тепловые ограничения усилителя: шумовой коэффициент и усиление. Выбор материала платы существенно вносит вклад в итоговую производительность LNA.

Рассмотрите свойства материала как кандидата для LNA: коэффициент диссипации (Df), диэлектрическая постоянка (DK или εr), теплопроводность, температурный коэффициент Dk, допуск толщины подложки.

Например, строго регулируйте Dk материала платы во всем объеме для жесткого согласования импеданса. Часто нужно для низких шумовых фигур усилителя. Температурный коэффициент диэлектрической постоянки (Tc Dk) также влияет на шумовые фигуры и сети согласования импеданса.

Проектирование платы согласно требованиям высокочастотных сигналов

Всегда помните: работаете с высокочастотными сигналами в схеме малого шума усилителя. Плата работает в радиочастотном диапазоне — проектируйте соответственно. Уже обсуждали: необходимо использовать многослойную плату для снижения интерференций. Шум 4-слойной платы на 20 дБ меньше, чем у двухслойной с тем же материалом. Но производство сложнее, стоимость выше, нужна экспертиза для топологии.

RF-сигналы в схеме LNA не должны образовывать петли при прокладке. Если неизбежно — минимизируйте. Обратите внимание на перекрестные помехи (crosstalk) на близком расстоянии параллельных линий. Crosstalk — нежелательный шум среди RF-сигналов из-за интерференции близких электромагнитных полей.

Методы избегания crosstalk: перпендикулярная прокладка параллельных линий в одном слое и в разных слоях. Меньше виа в дизайне LNA — выше скорость, меньше ошибок данных. Короткие провода между выводами — избегание связи с компонентами из-за длинных RF-путей.

Достижение жесткого согласования импеданса схемы низкошумательного усилителя

Стремитесь к жесткому согласованию импеданса для LNA. Обеспечивает оптимальную шумовую производительность, фильтрацию, входную и выходную стабильность. Согласовательная схема из пассивных элементов: резисторы, полосовые линии, конденсаторы, катушки.

Допуски материала платы (толщина меди, допуски ширины проводника) влияют на эту схему. Проблемы фабрикации также влияют на схемы согласования импеданса. Размер допусков зависит от конкретного дизайна LNA.

Например, допуск толщины меди сильнее влияет на связанные структуры (coplanar circuits). С другой стороны, влияние ширины и толщины проводника подложки. Тонкие каналы показывают большее изменение импеданса при увеличении ширины проводника.

Допуск DK — другой параметр платы, влияющий на сети согласования импеданса в дизайнах LNA.

Резюме

Советы для правильного проектирования схемы низкошумательного усилителя: правильные сети согласования импеданса, материал платы, слои платы, смещающие цепи, шумовой коэффициент, усиление. Обеспечьте качественный дизайн, проектируя плату LNA согласно требованиям RF-частотных сигналов.

Нужны услуги правильного поставщика PCB? WellPCB предоставляет технологии, материалы и качественные услуги. Контактируйте сейчас.