10 основных советов по проектированию низкошумательных усилителей

Основная функция дизайна низкошумательного усилителя (LNA) — усиление маломощных сигналов. В электронном микрофоне сигнал — напряжение или ток, переменные во времени. Как все усилители, LNA — двухпортовой контур. Потребляет электрическую мощность для усиления амплитуды входного сигнала. Результат — более высокий пропорциональный выходной сигнал.

Статья рассматривает 10 практических соображений для дизайна LNA.

Дизайн LNA — Низкий шумовой коэффициент дает лучшую производительность

Низкошумовые усилители — критические компоненты во многих устройствах: радиосвязь, медицинские приборы, электронные тестеры.

Типичный LNA дает коэффициент усиления по мощности 100 (+20 дБ). Одновременно снижает отношение сигнал/шум до 3 дБ (менее фактора 2). Сигналы далеко выше шумового пола вызывают интермодуляционные искажения.

Компоненты цепи сигнала деградируют отношение сигнал/шум (SNR). Шумовой коэффициент (Noise Figure) — числовая мера этой деградации. Определяет производительность усилителя. Меньшие значения шумового коэффициента — лучшие результаты LNA. В децибелах шумовой коэффициент равен шумовому фактору.

Дизайн LNA — Для расчета усиления усилителя нужны три параметра

Отличительная черта усилительного каскада — коэффициент усиления по мощности > 1. Просто: усиление = отношение выходной мощности к входной. LNA снижает лишний шум — побочный эффект усилителей. Для этого проектировщики учитывают в PCB/схемах: выбор низкошумовых компонентов, согласование импеданса.

Для расчета усиления по мощности нужны 3 параметра:

1. Трансдукторный коэффициент усиления (Transducer Power Gain)

Преимущество усилителя вместо прямого управления нагрузкой источником. Часто LNA сопряженно согласован с источником. Тогда трансдукторное усиление = рабочее усиление.

2. Рабочее усиление (Operating Power Gain)

В двухпортовой сети мощность рассеивается в нагрузке. Отношение этой рассеиваемой мощности к входной — рабочее усиление.

3. Максимально доступная мощность/усиление (MAG — Maximum Available Gain)

PLM = максимально доступная средняя мощность на нагрузке (выходе).
PSM = максимально доступная мощность на источнике.
MAG = отношение PLM к PSM.

Значения зависят от нагрузки, входа, выхода, источника. Также нужны коэффициент отражения и S-параметры.

Основы линий передачи

Линия передачи — проводящая среда для сигналов на больших расстояниях. Потери/искажения минимальны (часто пренебрежимо малы).

Рассмотрим импеданс нагрузки ZL и импеданс источника ZS. Напряжение (или мощность) — сумма падающей и отраженной волн. Распространяются в противоположных направлениях вдоль линии с характеристическим импедансом Z0.

Если ZL ≠ Z0, нагрузка отражает часть падающей волны к источнику. В безпотерных линиях — бесконечный цикл.

Коэффициент отражения при идеальном согласовании импеданса равен нулю

Коэффициент отражения — отношение падающей волны к отраженной. Равен нулю, когда импеданс нагрузки равен характеристическому импедансу. Комплексное число с модулем и углом в полярной форме.

Если разница между импедансами велика — ожидаем сильное отражение. Отражение пропорционально коэффициенту отражения в LNA.

Соответствующие коэффициенты отражения в RF-сети

Коэффициент отражения источника и нагрузки — термины в RF-сетях. Аналогичны импедансу источника и нагрузки для низкошумательных усилителей.

В графах волнового потока отображают падающие и отраженные волны. Строят граф линейными отношениями переменных сети. Обеспечивает быструю конструкцию передаточной функции между 2 точками сети.

Узлы графа — разные переменные. Независимые переменные связаны с зависимыми разными путями. Значение усиления прикрепляется к функции пути, относительно коэффициента отражения соответствующих переменных.

Категоризация LNA по S-параметрам

S-параметры (Scattering parameters) критичны в дизайне низкошумательных усилителей. Описывают линейные характеристики сети под действием электрических сигналов.

Согласованные нагрузки популярны для изучения S-параметров. Причина — легкость использования на высоких частотах. Современные векторные анализаторы сетей измеряют амплитуду и фазу волновых фазоров.

Электрические свойства бортовских компонентов выражают через S-параметры. Компоненты могут включать:

1. Резисторы
2. Катушки индуктивности
3. Конденсаторы

Параметры показывают: усиление, потери на отражении, ВСВР, коэффициент отражения, стабильность. Понимание матричной алгебры необходимо для S-параметров. Параметры подчиняются законам алгебры.

Использование MAG как предварительного критерия отбора для 2-портовых LNA

MAG показывает максимально теоретический коэффициент усиления, достижимый от устройства. Источник и нагрузка сопряженно согласованы. MAG — важное свойство для 2-портовых RF-усилителей. Обратная передаточная проводимость = 0. Для определения см. выше.

В двухпортовой сети MAG показывает доступные уровни усиления низкошумательного усилителя. Позволяет оценить пригодность LNA для задачи. Поэтому MAG — первичный критерий отбора для RF, LNA и микроволновых сетей.

Большее трансдукторное усиление

Наиболее распространенный термин усиления в дизайне RF-усилителей — трансдукторное усиление. По определению: отношение выходной мощности от источника к нагрузке к максимальной мощности источника. Включает компоненты:

1. Результат согласования импеданса на входе и выходе.
2. Общее усиление усилителя от LNA.

Функция параметра — редукция матрицы схемы к 2×2. Упрощает измерение и расчет. Резистивные потери среди компонентов происходят всегда. Пренебрегают ими при расчете трансдукторного усиления.

Стабильность — первичное соображение

Стабильность (устойчивость к генерации) — критическое соображение при проектировании LNA. Параметры для определения стабильности низкошумательных усилителей: S-параметры, согласовательные сети, нагрузки.

Три явления, отвечающие за нестабильность:

1. Внутренняя обратная связь транзистора.
2. Внешняя цепь, внешний вход транзистора.
3. Излишнее усиление вне необходимого частотного диапазона.

Рассчитывают фактор стабильности Роллетта (K) по заданным S-параметрам. Детерминант матрицы вместе с фактором стабильности определяют стабильность. Усилитель стабилен только когда K > 1. Плюс значение детерминанта не должно превышать 1.

Дизайн LNA — Более подходящее значение импеданса

Диаграмма Смита необходима для проектирования согласовательных импедансных сетей. Линии передачи меняют свойства импеданса через микрополосковые линии — у них переменные характеристические импедансы. Могут трансформировать значение любого резистора.

Два типа согласовательных сетей:

1. Входная согласовательная сеть — для снижения шумового влияния. Согласовывает вход транзистора с источником. Получаем шумовой коэффициент, максимально близкий к минимально возможному шуму.
2. Выходная согласовательная сеть — согласовывает выход транзистора с нагрузкой. Система дает максимально возможное усиление — максимизацию мощности.

Резюме

Надеемся, руководство было полезно. Соображения необходимы для правильного дизайна низкошумательного усилителя.

Входной сигнал с низким шумовым коэффициентом получит лучшее усиление через LNA. Сигналы далеко выше шумового пола столкнутся с интермодуляционной деформацией. Трансдукторное усиление, рабочее усиление, MAG — необходимы для нахождения усиления усилителя. Остальные критичные: S-параметры, стабильность, коэффициенты отражения. Разные значения импеданса вызывают волновые отражения. Коэффициент отражения = 0 при согласовании импедансов.

Эксперты рекомендуют надежную компанию для кастомных PCB дизайнов. WellPCB — свяжитесь для оценки ваших кастомных печатных плат.