10 praktische Überlegungen zum rauscharmen Verstärkerdesign

Die Hauptfunktion eines rauscharmen Verstärkerdesigns besteht darin, kleine Leistungssignale zu verstärken. In einem elektronischen Mikrofon kann die Nachricht entweder Spannung oder Strom sein, variabel bzgl. Zeit. Wie alle Verstärker ist auch der rauscharme Verstärker eine Zweitorschaltung. Es verbraucht elektrische Energie, um die Amplitude des Eingangssignals zu verbessern. Dies führt zu einem höheren proportionalen Ausgangssignal.

In diesem Artikel werden zehn praktische Überlegungen erörtert, die beim LNA-Design zu beachten sind.

Low Noise Amplifier Design – Eine rauscharme Zahl bietet eine bessere LNA-Leistung.

Rauscharme Verstärker sind wichtige Komponenten in mehreren Geräten. Einige davon sind Funkkommunikation, medizinische Instrumente und elektronische Testmaschinen.

Ein typischer rauscharmer Verstärker kann eine Leistungsverstärkung von 100 (+20 Dezibel) liefern. Gleichzeitig kann es den Signal-Rausch-Abstand um bis zu 3 dB (weniger als Faktor zwei) reduzieren. Signale weit über dem Rauschpegel können Intermodulationsverzerrungen verursachen.

Signalkettenkomponenten verschlechtern das Signal-Rausch-Verhältnis   (SNR), Rauschzahl bezieht sich auf diese Verschlechterung. Es ist ein numerischer Wert, der die Leistung eines Verstärkers definiert. Niedrigere Rauschzahlwerte bedeuten bessere Ergebnisse des rauscharmen Verstärkers. In Dezibel ausgedrückt entspricht die Rauschzahl dem Rauschfaktor.

Low Noise Amplifier Design – Sie benötigen drei Parameter zur Berechnung der Verstärkerleistungsverstärkung.

Ein besonderes Merkmal in der Verstärkerschaltung ist wichtiger als die Leistungsverstärkung Eins. Vereinfacht ausgedrückt ist die Verstärkung eines Verstärkers das Verhältnis seiner Ausgangsleistung zur Eingangsleistung. Ein rauscharmer Verstärker (LNA) reduziert das zusätzliche Rauschen, das ein Nebeneffekt der Verwendung von Lautsprechern ist. Um dies zu erreichen, müssen Designer einige Dinge in ihren PCB-/Schaltungsdesigns berücksichtigen. Einige von ihnen beinhalten die Auswahl von rauscharmen Komponenten und Impedanzanpassung.

Zur Berechnung der Leistungsverstärkung des Verstärkers benötigen Sie die Werte von 3 Parametern. Die Parameter sind:

1. Wandlerleistungsverstärkung

Es weist auf die Vorteile des Verstärkers hin, anstatt die Quelle zum direkten Ansteuern derselben Last zu verwenden. Oft wird ein rauscharmer Verstärker konjugiert an die Ursache angepasst. Die Wandlerleistungsverstärkung entspricht dann der Betriebsleistungsverstärkung.

2. Betriebsleistungsgewinn

In einem Zwei-Port-Netzwerk wird Leistung in die Last abgeführt. Das Verhältnis dieser Verlustleistung zur Eingangsleistung ist die Betriebsleistungsverstärkung.

3. Maximal verfügbare Leistung/Verstärkung (MAG)

PLM =Höchste verfügbare Durchschnittsleistung bei Last (Ausgang).

PSM=Höchste Leistung ist an der Quelle verfügbar.

MAG ist das Verhältnis von PLM und PSM.

Der Wert dieser Parameter hängt von vielen Faktoren wie Last, Eingang, Ausgang und Quelle ab. Reflexionskoeffizient und S-Parameter werden ebenfalls benötigt, um die obigen Werte abzuleiten.

Übertragungsleitungshintergrund

Eine Übertragungsleitung ist ein leitendes Medium, das Signale über große Entfernungen überträgt. Verlust oder Verzerrung ist am wenigsten (oft vernachlässigbar).

Berücksichtigen Sie die Lastimpedanz ZL und die Quellenimpedanz ZS. Spannung (oder Leistung) ist die Summe von einfallenden und reflektierten Wellen. Sie bewegen sich entlang der Linie der charakteristischen Übertragungsimpedanz (Z0) in entgegengesetzte Richtungen.

Wenn ZL ungleich Z0 ist, reflektiert die Last einen Teil der einfallenden Wellen in Richtung der Quelle. Der Prozess setzt sich als Endlosschleife in verlustfreien Übertragungsleitungen fort.

Der Reflexionskoeffizient bei perfekter Impedanzanpassung ist Null

Der Reflexionskoeffizient ist ein Verhältnis der einfallenden Welle und der reflektierten Welle. Die Berücksichtigung ist Null, wenn die Lastimpedanz gleich der charakteristischen Impedanz ist. Es ist eine komplexe Zahl mit Betrag und Winkel in Polarform.

Wenn der Unterschied zwischen den beiden Impedanzen groß ist, können wir ein hohes Maß an Reflexion erwarten. Die Reflexion ist proportional zum Reflexionskoeffizienten in einem rauscharmen Verstärker.

Die jeweiligen Reflexionskoeffizienten im HF-Netzwerk

Quellenreflexionskoeffizient und Lastreflexionskoeffizient sind Begriffe, die in HF-Netzwerken verwendet werden. Sie sind die gleichen wie Quellen- und Lastimpedanz für rauscharme Verstärker .

In Wellenflussdiagrammen können Sie einfallende und reflektierte Wellen darstellen. Zeichnen Sie das Flussdiagramm mithilfe linearer Beziehungen innerhalb der Netzwerkvariablen. Es sorgt für den schnellen Aufbau einer Übertragungsfunktion zwischen 2 Netzpunkten.

Die Knoten im Flussdiagramm repräsentieren verschiedene Variablen. Die unabhängigen Variablen sind über verschiedene Pfade mit den abhängigen verknüpft. Der Pfadfunktion hängt ein Verstärkungswert an, der relativ zum Reflexionsfaktor der betreffenden Variablen ist.

Sie können einen LNA nach seinen S-Parametern kategorisieren

S-Parameter oder Scattering-Parameter sind für rauscharme Verstärkerdesigns unerlässlich. Sie beschreiben lineare Netzwerkeigenschaften unter Einwirkung elektrischer Signale.

Passende Lasten sind berühmt für das Studium von S-Parametern. Der Hauptgrund ist die einfache Handhabung für hohe Signalfrequenzen. Moderne Vektornetzwerkanalysatoren berechnen die Amplitude und Phase von Wellenzeigern.

Sie können die elektrischen Eigenschaften mehrerer Bordkomponenten mithilfe von S-Parametern ausdrücken. Zu den Komponenten können ：

gehören

1. Widerstände

2. Induktivitäten

3. Kondensatoren

Parameter können Merkmale wie Verstärkung, Rückflussdämpfung, VSWR, Reflexionskoeffizient oder Stabilität anzeigen. Ein Verständnis der Matrixalgebra ist unerlässlich, um S-Parameter zu verstehen. Die Parameter folgen diesen algebraischen Gesetzen.

Verwenden Sie MAG als vorläufiges Screening-Kriterium für 2-Port-LNAs.

Der MAG gibt die höchste theoretische Leistungsverstärkung an, die Sie mit dem Gerät erzielen können. Die Quellen- und Impedanzlasten sind konjugiert angepasst. MAG ist eine wesentliche Eigenschaft für 2-Port-HF-Verstärker. Reverse-Transfer-Admittanz Null. Die richtige Definition finden Sie oben.

In einem Zwei-Port-Netzwerk kann MAG die verfügbaren Verstärkungspegel eines rauscharmen Verstärkers anzeigen. Auf diese Weise können wir beurteilen, ob der LNA für die Aufgabe geeignet ist. Aus diesem Grund ist MAG auch das primäre Screening-Kriterium für HF-, LNA- und Mikrowellennetzwerke.

Mehr Wandlerverstärkung

Der gebräuchlichste Verstärkungsbegriff im HF-Verstärkerdesign ist die Wandlerverstärkung. Per Definition das Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung von der Quelle zur Last und der höchsten Quellenleistung. Die Transducer-Verstärkung umfasst einige Komponenten:

1. Wir können das Ergebnis der Impedanzanpassung eingeben und ausgeben.

2. Die Gesamtverstärkung des Verstärkers aufgrund des LNA.

Eine der Funktionen dieses Parameters ist die Reduzierung der folgenden Schaltungsmatrix auf 2 × 2. Diese Matrixreduzierung hilft bei der Messung und Berechnung, Widerstandsverluste zwischen den Schaltungskomponenten treten während des gesamten Prozesses auf. Vernachlässigen Sie sie bei der Berechnung der Wandlerverstärkung.

Stabilität ist die Hauptüberlegung

Die Stabilität oder Oszillationsbeständigkeit ist eine wesentliche Überlegung beim LNA-Design. Einige Parameter sind nützlich, um die Stabilität von rauscharmen Verstärkern zu bestimmen. Dazu gehören die S-Parameter, Anpassungsnetzwerke und Terminierungen.

Drei Phänomene sind für die Instabilität in einem Verstärker verantwortlich. Sie sind:

1. Internes Feedback des Transistors.

2. Der Grund kann an einer externen Schaltung oder einem externen Transistoreingang liegen.

3. Unnötige Verstärkung außerhalb des erforderlichen Betriebsfrequenzbandes.

Es wäre hilfreich, wenn Sie den Rollett-Stabilitätsfaktor (K ) unter Verwendung der gegebenen S-Parameter. Die Matrixdeterminante kann zusammen mit dem Stabilitätsfaktor die Stabilität bestimmen. Ein Verstärker ist nur stabil, wenn K größer als 1 ist. Außerdem darf der Determinantenwert eins nicht überschreiten.

Rauscharmes Verstärkerdesign – besser geeigneter Impedanzwert

Das Smith-Diagramm ist notwendig, um passende Impedanznetzwerke zu entwerfen. Übertragungsleitungen ändern die Impedanzeigenschaften unter Verwendung von Mikrostreifenleitungen, diese Leitungen haben unterschiedliche charakteristische Impedanzen. Sie können auch den Wert eines beliebigen Widerstands umwandeln.

Es gibt zwei Arten von passenden Netzwerken:

1. Eingangsanpassungsnetzwerk:Diese sind nützlich, um den Rauscheinfluss zu reduzieren. Es passt den Transistoreingang an die Quelle an. Auf diese Weise können wir eine Rauschzahl erzielen, die dem geringstmöglichen Rauschen möglichst nahe kommt.

2. Ausgangsanpassungsnetzwerk:Dieses Netzwerk passt den Transistorausgang an die Last an. Somit bietet das System die höchstmögliche verstärkungsmaximierende Leistung.

Zusammenfassung

Wir hoffen, dass der obige Leitfaden hilfreich war. Diese Überlegungen sind für das richtige Design eines rauscharmen Verstärkers notwendig.

Ein Eingangssignal mit einer niedrigeren Rauschzahl wird durch LNAs besser verstärkt. Signale weit über dem Grundrauschen werden einer Intermodulationsverzerrung ausgesetzt. Wandlerleistungsverstärkung, Betriebsverstärkung, MAG sind erforderlich, um die Verstärkerverstärkung zu finden. Die verbleibenden wichtigen sind S-Parameter, Stabilität und Reflexionskoeffizienten. Unterschiedliche Impedanzwerte können Wellenreflexionen verursachen. Der Reflexionsfaktor ist 0, wenn die Impedanzen übereinstimmen.

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