Малошумящий усилитель - Low-noise amplifier

А малошумящий усилитель (LNA) является электронный усилитель который усиливает сигнал очень низкой мощности без значительного ухудшения его соотношение сигнал шум. Усилитель увеличит мощность как сигнала, так и шум присутствует на его входе, но усилитель также будет вносить дополнительный шум. МШУ предназначены для минимизации этого дополнительного шума. Разработчики могут минимизировать дополнительный шум, выбирая малошумящие компоненты, рабочие точки и топологии схем. Минимизация дополнительного шума должна быть сбалансирована с другими целями проектирования, такими как увеличение мощности и согласование импеданса.

МШУ находятся в радиосвязь системы, медицинские инструменты и электронное испытательное оборудование. Типичный LNA может обеспечивать прирост мощности из 100 (20децибелы (дБ)) при уменьшении отношения сигнал / шум менее чем в два раза (3 дБ коэффициент шума (NF)). Хотя LNA в первую очередь относятся к слабым сигналам, которые чуть выше шумный этаж, они также должны учитывать наличие более крупных сигналов, которые вызывают интермодуляционные искажения.

Связь

Антенны являются обычным источником слабых сигналов.^[1] Наружная антенна часто подключается к своему приемнику с помощью линия передачи называется линия подачи. Потери в фидерной линии снижают отношение принимаемого сигнала к шуму: потери в фидерной линии составляют 3 дБ ухудшает отношение сигнал / шум (SNR) на 3 дБ.^{[нужна цитата ]}

Примером может служить фидер, сделанный из 10 футов (3,0 м) RG-174. коаксиальный кабель и используется с спутниковая система навигации (GPS) приемник. Потери в этой линии подачи 3,2 дБ в 1 ГГц; примерно 5 дБ на частоте GPS (1.57542 ГГц). Этих потерь в линии питания можно избежать, разместив на антенне малошумящий усилитель, обеспечивающий достаточное усиление для компенсации потерь.

Хороший LNA имеет низкий NF (например, 1 дБ), достаточного усиления для усиления сигнала (например, 10 дБ) и достаточно большой точкой интермодуляции и сжатия (IP3 и P1dB), чтобы выполнять требуемую работу. Дополнительные характеристики: рабочая полоса пропускания LNA, равномерность усиления, стабильность, вход и выход. коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН).

Для низкого уровня шума требуется высокое усиление усилителя в первом каскаде. Следовательно, переходные полевые транзисторы (JFET) и транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT) часто используются. Они работают в сильноточном режиме, который не является энергоэффективным, но снижает относительное количество дробовой шум. Также требуется ввод и вывод согласование импеданса схемы для узкополосный схемы для увеличения усиления (видеть Продукт усиления-пропускной способности ).

LNA - это ключевой компонент во внешнем интерфейсе радиоприемник в частности, чтобы помочь снизить нежелательный шум. Формулы Фрииса для шума моделирует шум в многокаскадной схеме сбора сигналов. В большинстве приемников в общей NF преобладают первые несколько этапов RF передний конец.

При использовании LNA рядом с источником сигнала влияние шума от последующих этапов приемной цепи в цепи уменьшается за счет сигнала прирост создается LNA, в то время как шум, создаваемый самим LNA, вводится непосредственно в принимаемый сигнал. МШУ увеличивает мощность желаемых сигналов, добавляя при этом как можно меньше шума и искажений. Работа, выполняемая LNA, позволяет оптимально извлекать полезный сигнал на более поздних этапах работы системы.

Соображения по дизайну

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

Прирост
Коэффициент шума
Линейность
Максимальный вход RF

Прирост

Усилителям необходимо устройство, обеспечивающее усиление. В 1940-х это устройство было вакуумная труба, но сейчас это обычно транзистор. Транзистор может быть одной из многих разновидностей биполярные транзисторы или же полевые транзисторы. Другие устройства, производящие усиление, например туннельные диоды, может быть использовано.

Вообще говоря, в конструкции МШУ используются две категории моделей транзисторов: модели слабого сигнала используют квазилинейные модели шума, а модели большого сигнала учитывают нелинейное смешение.

Применяемая величина 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

В коэффициент шума помогает определить эффективность конкретного LNA. Пригодность LNA для конкретного приложения обычно зависит от его коэффициента шума. Как правило, низкий коэффициент шума обеспечивает лучший прием 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 импеданс источника низкий, то общая база или же общие ворота топология схемы может быть подходящей. Для среднего импеданса источника общий эмиттер или же общий источник топология может быть использовано. Благодаря высокому сопротивлению источника общий коллектор или же общий сток топология может быть подходящей. Вход согласование импеданса может не производить самый низкий коэффициент шума.

Смещение

Другой проблемой дизайна является шум, создаваемый смещающие сети.

Приложения

МШУ используются в приемниках связи, таких как сотовые телефоны, GPS приемники, беспроводные локальные сети (Wi-Fi) и спутниковая связь.

В системе спутниковой связи приемная антенна наземной станции использует LNA, потому что принимаемый сигнал слабый, так как спутники имеют ограниченную мощность и, следовательно, используют маломощные передатчики. Спутники тоже далеки и страдают потеря пути: низкая околоземная орбита спутники могут находиться на расстоянии 120 миль (190 км); а геосинхронный спутник находится на расстоянии 35 786 миль (57 592 км)}.

МШУ усиливает антенный сигнал для преодоления линия подачи потери между антенной и приемником.

МШУ могут повысить производительность программно-определяемое радио (SDR) приемные системы. SDR обычно предназначены для общего назначения, и поэтому коэффициент шума не оптимизирован для какого-либо конкретного приложения. С малошумящим усилителем и подходящим фильтром производительность улучшается во всем диапазоне частот.

Смотрите также

дальнейшее чтение

Motchenbacher, C.D .; Коннелли, Дж. А. (1993), Конструкция электронной системы с низким уровнем шума, Джон Вили, ISBN 978-0471577423

внешняя ссылка

Преобразование: коэффициент искажения в затухание искажений и THD

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

[2] «Введение в технические характеристики малошумящего усилителя». Программно-определяемое радио упрощено. 11 января 2020 г.. Получено 11 января, 2020.

[1]

[2]