Малошумящий усилитель

LNA Малошумящий усилитель ( без ) — это электронный компонент, который усиливает сигнал очень малой мощности значительного ухудшения его отношения сигнал/шум (SNR). Любой электронный усилитель увеличивает мощность как сигнала, так и шума на его входе, но усилитель также вносит некоторый дополнительный шум. МШУ спроектированы таким образом, чтобы минимизировать этот дополнительный шум за счет выбора специальных компонентов, рабочих точек и топологии схемы . Минимизация дополнительного шума должна сочетаться с другими целями проектирования, такими как усиление мощности и согласование импедансов .

МШУ используются в системах радиосвязи , любительских радиостанциях, медицинских инструментах и электронном испытательном оборудовании . Типичный LNA может обеспечить коэффициент усиления по мощности 100 (20 децибел (дБ)) при уменьшении SNR менее чем в два раза ( коэффициент шума (NF) 3 дБ). Хотя МШУ в первую очередь работают со слабыми сигналами, уровень которых немного превышает минимальный уровень шума , они также должны учитывать наличие более сильных сигналов, вызывающих интермодуляционные искажения .

Коммуникации

Антенны являются распространенным источником слабых сигналов. ^[1] Наружная антенна часто подключается к приемнику линией передачи, называемой фидерной линией . Потери в линии подачи снижают принимаемое соотношение сигнал/шум: потери в линии подачи на 3 дБ ухудшают отношение сигнал/шум (SNR) приемника на 3 дБ .

Примером может служить линия питания, изготовленная из коаксиального кабеля RG-174 длиной 10 футов (3,0 м) и используемая с приемником системы глобального позиционирования (GPS). Потери в этой линии питания составляют 3,2 дБ на частоте 1 ГГц ; примерно 5 дБ на частоте GPS ( ГГц 1,575–42 ) . Этих потерь в питающей линии можно избежать, разместив на антенне МШУ, который обеспечивает достаточный коэффициент усиления, чтобы компенсировать потери.

МШУ является ключевым компонентом входной части схемы радиоприемника , помогающим, в частности, снизить нежелательный шум. Формулы Фрииса для шума моделируют шум в многокаскадной схеме сбора сигналов. В большинстве приемников в общей частоте шума доминируют первые несколько ступеней РЧ-интерфейса .

При использовании МШУ рядом с источником сигнала влияние шума от последующих каскадов приемной цепи в схеме снижается за счет усиления сигнала , создаваемого МШУ, в то время как шум, создаваемый самим МШУ, вводится непосредственно в принимаемый сигнал. . LNA повышает мощность желаемых сигналов, добавляя при этом как можно меньше шума и искажений. Работа, выполняемая LNA, обеспечивает оптимальный поиск желаемого сигнала на более поздних этапах работы системы.

Рекомендации по проектированию

Малошумящие усилители являются строительными блоками систем связи и инструментов. Наиболее важные характеристики или атрибуты LNA: ^[2]

Прирост
Коэффициент шума
Линейность
Максимальный радиочастотный вход

Хороший МШУ имеет низкий коэффициент шума (например, 1 дБ ), достаточный коэффициент усиления для усиления сигнала (например, 10 дБ ) и достаточно большую точку интермодуляции и сжатия (IP3 и P1дБ), чтобы выполнить требуемую работу. Дополнительными характеристиками являются рабочая полоса пропускания МШУ, неравномерность усиления, стабильность, коэффициент стоячей волны входного и выходного напряжения (КСВН).

Для низкого уровня шума усилителю первого каскада требуется высокое усиление. переходные полевые транзисторы (JFET) и транзисторы с высокой подвижностью электронов Поэтому часто используются (HEMT). Они работают в сильноточном режиме, что не является энергоэффективным, но снижает относительную величину дробового шума . Также требуются согласования входного и выходного импеданса схемы для узкополосных схем для повышения усиления ( см. Произведение усиления и полосы пропускания ).

Прирост

Усилителям необходимо устройство, обеспечивающее усиление. В 1940-х годах этим устройством была электронная лампа , но сейчас это обычно транзистор. Транзистор может быть одной из многих разновидностей биполярных транзисторов или полевых транзисторов . Могут использоваться и другие устройства, производящие усиление, например туннельные диоды .

Вообще говоря, при проектировании МШУ используются две категории моделей транзисторов: модели с малым сигналом используют квазилинейные модели шума, а модели с большим сигналом учитывают нелинейное смешивание.

Величина применяемого усиления часто является компромиссом. С одной стороны, высокое усиление делает слабые сигналы сильными. С другой стороны, высокий коэффициент усиления означает сигналы более высокого уровня, и такие сигналы высокого уровня с высоким коэффициентом усиления могут превышать динамический диапазон усилителя или вызывать другие типы шума, такие как гармонические искажения или нелинейное смешение.

Коэффициент шума

Коэффициент шума помогает определить эффективность конкретного МШУ. Пригодность МШУ для конкретного применения обычно определяется его коэффициентом шума. В целом, низкий коэффициент шума приводит к лучшему приему сигнала.

Импеданс

Топология схемы влияет на входное и выходное сопротивление. Как правило, импеданс источника согласовывается с входным импедансом, поскольку это максимизирует передачу мощности от источника к устройству. Если сопротивление источника низкое, то с общей базой или с общим затвором может подойти топология . Для среднего импеданса источника с общим эмиттером или общим истоком топологию можно использовать . При высоком сопротивлении источника с общим коллектором или общим стоком может подойти топология . Согласование входного импеданса может не обеспечить наименьший коэффициент шума.

Смещение

Еще одной проблемой проектирования является шум, вносимый смещающими сетями .

Приложения

LNA используются в приемниках связи, таких как радиотелескопы , сотовые телефоны, GPS- приемники, беспроводные локальные сети (WiFi) и спутниковая связь .

В системе спутниковой связи приемная антенна наземной станции использует LNA, поскольку принимаемый сигнал слабый, поскольку спутники имеют ограниченную мощность и, следовательно, используют передатчики малой мощности. Спутники также находятся на большом расстоянии и теряют траекторию движения : спутники на низкой околоземной орбите могут находиться на расстоянии 120 миль (190 км); находится геосинхронный спутник на расстоянии 22 236 миль (35 785 км).

LNA усиливает сигнал антенны, чтобы компенсировать потери в линии связи между антенной и приемником.

МШУ могут повысить производительность систем приемников программно-конфигурируемой радиосвязи (SDR). SDR обычно предназначены для общего назначения, поэтому коэффициент шума не оптимизирован для какого-либо конкретного применения. При использовании МШУ и соответствующего фильтра производительность улучшается в широком диапазоне частот.

См. также

Ссылки

^ Малошумящий усилитель с частотой 900 МГц и температурной компенсацией смещения . 1 января 2008 г. ISBN. 9780549667391 .
^ «Введение в технические характеристики малошумящих усилителей» . Упрощенное программно-определяемое радио . 11 января 2020 г. . Проверено 11 января 2020 г.

Дальнейшее чтение

Мотхенбахер, CD; Коннелли, Дж. А. (1993), Проектирование малошумящей электронной системы , Джон Уайли, ISBN 978-0471577423

Внешние ссылки

Преобразование: коэффициент искажения в затухание искажений и THD

[1] Малошумящий усилитель с частотой 900 МГц и температурной компенсацией смещения . 1 января 2008 г. ISBN. 9780549667391 .

[2] «Введение в технические характеристики малошумящих усилителей» . Упрощенное программно-определяемое радио . 11 января 2020 г. . Проверено 11 января 2020 г.

[1]

[2]