Forsterker med lav støy - Low-noise amplifier
En forsterker med lav støy ( LNA ) er en elektronisk forsterker som forsterker et signal med svært lav effekt uten å forringe signal-til-støy-forholdet vesentlig . En forsterker vil øke effekten til både signalet og støyen som er tilstede ved inngangen, men forsterkeren vil også innføre noe ekstra støy. LNA er designet for å minimere den ekstra støyen. Designere kan minimere ekstra støy ved å velge komponenter med lav støy, driftspunkter og kretstopologier. Minimering av ekstra støy må balansere med andre designmål som effektforsterkning og impedansmatching .
LNA finnes i radiokommunikasjonssystemer , medisinske instrumenter og elektronisk testutstyr . En typisk LNA kan gi en effektforsterkning på 100 (20 desibel (dB)) mens signal / støy-forholdet reduseres med mindre enn en faktor på to (et 3 dB støytall (NF)). Selv om LNA hovedsakelig er opptatt av svake signaler som ligger like over støygulvet , må de også vurdere tilstedeværelsen av større signaler som forårsaker intermodulasjonsforvrengning .
Kommunikasjon
Antenner er en vanlig kilde til svake signaler. En utendørs antenne er ofte koblet til mottakeren via en overføringsledning som kalles en matelinje . Tap i matelinjen senker det mottatte signal-til-støy-forholdet: tap av mateledning på3 dB forringer mottakerens signal-til-støy-forhold (SNR) med3 dB .
Et eksempel er en mateledning laget av 3,0 m RG-174 koaksialkabel og brukt sammen med en global posisjoneringssystemmottaker (GPS). Tapet i den matelinjen er3,2 dB ved1 GHz ; omtrent5 dB ved GPS -frekvensen (1,575 42 GHz ). Dette tapet av mateledninger kan unngås ved å plassere et LNA ved antennen, som gir nok forsterkning til å oppveie tapet.
Et LNA er en nøkkelkomponent i frontenden av en radiomottakerkrets for å redusere spesielt uønsket støy. Friis 'formler for støy modellerer støyen i en flertrinns signalinnsamlingskrets. I de fleste mottakere er den generelle NF dominert av de første stadiene av RF -frontenden .
Ved å bruke en LNA nær signalkilde, og effekten av støy fra etterfølgende trinn i mottakerkjeder i kretsen blir redusert ved hjelp av signalet forsterkningen er laget av LNA, mens støyen som skapes av LNA selv injiseres direkte inn i det mottatte signalet . LNA øker ønsket signalstyrke samtidig som den legger til så lite støy og forvrengning som mulig. Arbeidet utført av LNA muliggjør optimal henting av ønsket signal i de senere stadiene av systemet.
Designhensyn
Forsterkere med lav støy er byggesteinene i kommunikasjonssystemer og instrumenter. De viktigste LNA -spesifikasjonene eller attributtene er:
- Gevinst
- Støyfigur
- Linjæritet
- Maksimal RF -inngang
Et godt LNA har lavt NF (f.eks 1 dB ), nok forsterkning til å øke signalet (f.eks10 dB ) og et stort nok mellommodulerings- og komprimeringspunkt (IP3 og P1dB) til å utføre arbeidet som kreves av det. Ytterligere spesifikasjoner er LNAs driftsbåndbredde, forsterkning flathet, stabilitet, inngående og utgangsspenning stående bølgeforhold (VSWR).
For lav støy kreves en høy forsterkning for forsterkeren i det første trinnet. Derfor brukes kryssfelt -effekt-transistorer (JFETs) og transistor med høy elektronmobilitet (HEMT-er) ofte. De drives i et høystrømregime, som ikke er energieffektivt, men reduserer den relative mengden skuddstøy . Det krever også inngangs- og utgangsimpedans-matchende kretser for smalbåndskretser for å øke forsterkningen ( se Gain-bandwidth product ).
Gevinst
Forsterkere trenger en enhet for å gi gevinst. På 1940 -tallet var denne enheten et vakuumrør , men nå er det vanligvis en transistor. Transistoren kan være en av mange varianter av bipolare transistorer eller felteffekttransistorer . Andre enheter som produserer forsterkning, for eksempel tunneldioder , kan brukes.
Grovt sett brukes to kategorier transistormodeller i LNA-design: Modeller med små signaler bruker kvasi-lineære modeller av støy og modeller med stort signal vurderer ikke-lineær blanding.
Mengden gevinst som brukes er ofte et kompromiss. På den ene siden gjør høy gevinst svake signaler sterke. På den annen side betyr høy forsterkning signaler på høyere nivå, og slike høyt nivå signaler med høy forsterkning kan overstige forsterkerens dynamiske område eller forårsake andre typer støy som harmonisk forvrengning eller ikke -lineær blanding.
Støyfigur
Den støytall bidrar til å bestemme effektiviteten til en bestemt LNA. LNA -egnethet for en bestemt applikasjon er vanligvis basert på støynivået. Generelt resulterer et lavt støytall i bedre signalmottak.
Impedans
Kretstopologien påvirker inngangs- og utgangsimpedans. Generelt er kildeimpedansen tilpasset inngangsimpedansen fordi det vil maksimere kraftoverføringen fra kilden til enheten. Hvis kildeimpedansen er lav, kan en felles base eller en felles gate krets -topologi være passende. For en middels kildeimpedans kan en vanlig emitter eller vanlig kilde -topologi brukes. Med høy kildemotstand kan en felles oppsamler eller vanlig avløpstopologi være passende. En inngangs impedanstilpasning kan ikke frembringe den laveste støyverdi.
Skjevhet
Et annet designproblem er støyen som innføres av forspenningsnettverk .
applikasjoner
LNA brukes i kommunikasjonsmottakere, for eksempel i mobiltelefoner, GPS -mottakere, trådløse LAN (WiFi) og satellittkommunikasjon .
I et satellittkommunikasjonssystem bruker bakken stasjonsmottakerantenne et LNA fordi det mottatte signalet er svakt siden satellitter har begrenset effekt og derfor bruker lavstrømssendere. Satellittene er også fjerne og lider tap av stier : satellitter med lav bane rundt jorden kan være 190 kilometer unna; en geosynkron satellitt er 35.785 km unna.
LNA øker antennesignalet for å overvinne mateledningstap mellom antennen og mottakeren.
LNA kan forbedre ytelsen til programvaredefinerte radio (SDR) mottakersystemer. SDR -er er vanligvis designet for generelle formål, og derfor er ikke støytallet optimalisert for noen bestemt applikasjon. Med et LNA og passende filter blir ytelsen forbedret over en rekke frekvenser.
Se også
Referanser
Videre lesning
- Motchenbacher, CD; Connelly, JA (1993), støysvakt elektronisk systemdesign , John Wiley, ISBN 978-0471577423