10 wesentliche Tipps für das Design rauscharmer Verstärker (LNA)
Primäre Funktion eines Low Noise Amplifier (LNA)-Designs: Verstärkung schwacher Signalsignale. In Elektretmikrofonen: Signal = Spannung oder Strom, zeitabhängig. Wie alle Verstärker: Zweiport-Netzwerk. Verbraucht elektrische Leistung zur Eingangsignal-Amplitudensteigerung → proportional höheres Ausgangssignal.
Dieser Artikel diskutiert 10 praktische LNA-Design-Überlegungen.
Niedriges Rauschmaß (Noise Figure) = Bessere LNA-Performance
LNAs sind kritische Komponenten in Funkkommunikation, Medizintechnik, elektronischen Testgeräten.
Typischer LNA: Leistungsverstärkung 100-fach (+20 dB). Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) Degradation ≤ 3 dB (Faktor <2). Signale weit über Noise Floor → Intermodulationsverzerrungen.
Signalketten-Komponenten degradieren Signal-to-Noise Ratio (SNR) – Rauschmaß (Noise Figure) quantifiziert diese Degradation. Numerischer Wert für Verstärkerperformance. Niedrigere Noise Figure = bessere LNA-Ergebnisse. In dB: Noise Figure = Noise Factor.
Drei Parameter für Verstärker-Leistungsverstärkung (Power Gain)
Kennzeichen: Gain > 1 (Einheit). Einfach: Gain = Ausgangsleistung / Eingangsleistung. LNA reduziert Zusatzrauschen (Nebenwirkung von Verstärkern). Designer müssen in PCB/Schema: rauscharme Bauteile wählen, Impedanzanpassung betreiben.
Für Power Gain-Berechnung drei Parameter nötig:
1. Transducer Power Gain (GT)
Vorteil des Verstärkers vs. direkte Ansteuerung der Last durch Quelle. Oft konjugiert angepasst an Quelle → Transducer Gain = Operating Power Gain.
2. Operating Power Gain (GP)
In Zweipport: Leistung in Last dissipiert. Verhältnis dissipierter Leistung zu Eingangsleistung.
3. Maximum Available Gain (MAG / Gmax)
PLM = Höchste verfügbare Mittelwertleistung an Last (Output).
PSM = Höchste verfügbare Leistung an Quelle.
MAG = PLM / PSM.
Parameterwerte hängen ab von: Last, Ein-/Ausgang, Quelle. Reflexionskoeffizient & S-Parameter für Herleitung nötig.
Übertragungsleitungs-Hintergrund
Übertragungsleitung = Leitungsmedium für Signale über große Distanzen. Verluste/Verzerrung minimal (vernachlässigbar).
Lastimpedanz ZL, Quellenimpedanz ZS. Spannung/Leistung = Summe Einfall- & Reflektionswelle. Laufen entgegengesetzt entlang charakteristischer Impedanz Z0.
ZL ≠ Z0 → Last reflektiert Teil der Einfallwelle zur Quelle. In verlustfreien Leitungen: endloser Loop.
Reflexionskoeffizient bei perfekter Impedanzanpassung = Null
Reflexionskoeffizient = Verhältnis reflektierte/eingefallene Welle. Null bei ZL = Z0. Komplexe Zahl (Betrag & Winkel in Polarform).
Großer Impedanzunterschied → starke Reflexion. Reflexion proportional zu Reflexionskoeffizient im LNA.
Reflexionskoeffizienten im RF-Netzwerk
Quellen- (ΓS) & Lastreflexionskoeffizient (ΓL) – Terms in RF-Netzwerken. Entsprechen Quellen- & Lastimpedanz für LNAs.
Wellendiagramme (Signal Flow Graphs): Einfall- & Reflektionswellen darstellen. Lineare Relationen zwischen Netzwerkvariablen → schneller Transferfunktionsaufbau zwischen 2 Netzwerkpunkten.
Knoten = Variablen. Unabhängige mit abhängigen über Pfade verknüpft. Gain-Wert an Pfadfunktion → relativ zu Reflexionskoeffizient der betroffenen Variablen.
LNA-Kategorisierung über S-Parameter
S-Parameter (Streuparameter) essenziell im LNA-Design. Beschreiben lineare Netzwerkeigenschaften unter elektrischen Signalen.
Angepasste Lasten für S-Parameter-Studium beliebt – Grund: einfache Nutzung bei hohen Signal-Frequenzen. Moderne VNA (Vector Network Analyzer) messen Amplitude & Phase von Wellenphasoren.
Elektrische Eigenschaften onboard-Komponenten via S-Parameter ausdrückbar: Widerstände, Induktivitäten, Kondensatoren. Features: Gain, Return Loss, VSWR, Reflexionskoeffizient, Stabilität. Matrixalgebra-Grundverständnis nötig – S-Parameter folgen diesen Gesetzen.
MAG als Vorab-Screening für 2-Port LNAs nutzen
MAG = höchste theoretische Leistungsverstärkung des Bauelements. Quelle & Last konjugiert angepasst. MAG = essenzielle Eigenschaft für 2-Port RF-Verstärker. Reverse Transfer Admittanz = 0.
In Zweipport: MAG zeigt verfügbare Gain-Level des LNA → Eignungsbeurteilung. Deshalb: MAG = primäres Screening-Kriterium für RF, LNA, Mikrowellennetze.
Transducer Gain (GT) – Der gängigste Gain-Begriff
Definition: Verhältnis Ausgangsleistung (Quelle→Last) zu höchster Quellenleistung. Komponenten:
- Ein-/Ausgangs-Impedanzanpassungsergebnis
- Gesamtverstärkung durch LNA
Funktion: Reduktion nachfolgender Schaltungsmatrix auf 2×2 – erleichtert Messung/Berechnung. Ohmsche Verluste in Komponenten treten auf → bei Transducer-Gain-Berechnung vernachlässigen.
Stabilität = Primäre Designbetrachtung
Stabilität (Oszillationswiderstand) ist essenziell im LNA-Design. Parameter zur Stabilitätsbestimmung: S-Parameter, Anpassungsnetzwerke, Terminierungen.
Drei Instabilitätsursachen:
- Transistor-internes Feedback
- Externes Schaltkreis-Feedback / externer Transistoreingang
- Unnötiger Gain außerhalb nötigem Betriebsfrequenzband
Rollett-Stabilitätsfaktor (K) via S-Parameter berechnen. Matrizendeterminante + K bestimmen Stabilität. Verstärker stabil nur wenn K > 1 UND Determinante ≤ 1.
Passendere Impedanzwerte finden
Smith Chart unverzichtbar für Impedanzanpassungsnetzwerke. Leitungsleiter (Microstrip) transformieren Impedanzwerte – variable charakteristische Impedanzen. Können jeden Widerstandswert transformieren.
Zwei Anpassungsnetzwerk-Typen:
- Input Matching Network: Rauscheinfluss reduzieren. Transistoreingang an Quelle anpassen → Rauschmaß so nah wie möglich am Minimum.
- Output Matching Network: Transistorausgang an Last anpassen → System liefert maximal möglichen Gain (Leistungsmaximierung).
Zusammenfassung
Obiger Leitfaden nützlich? Überlegungen nötig für korrektes LNA-Design.
Eingangssignal mit niedrigem Rauschmaß → bessere Verstärkung durch LNAs. Signale weit über Noise Floor → Intermodulationsverzerrung. Transducer Gain, Operating Gain, MAG für Verstärker-Gain nötig. Ebenso essenziell: S-Parameter, Stabilität, Reflexionskoeffizienten. Impedanzdifferenzen → Wellenreflexionen. Reflexionskoeffizient = 0 bei Impedanzmatch.
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