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 (G_T)

Vorteil des Verstärkers vs. direkte Ansteuerung der Last durch Quelle. Oft konjugiert angepasst an Quelle → Transducer Gain = Operating Power Gain.

2. Operating Power Gain (G_P)

In Zweipport: Leistung in Last dissipiert. Verhältnis dissipierter Leistung zu Eingangsleistung.

3. Maximum Available Gain (MAG / G_max)

P_LM = Höchste verfügbare Mittelwertleistung an Last (Output).
P_SM = Höchste verfügbare Leistung an Quelle.
MAG = P_LM / P_SM.

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 Z_L, Quellenimpedanz Z_S. Spannung/Leistung = Summe Einfall- & Reflektionswelle. Laufen entgegengesetzt entlang charakteristischer Impedanz Z₀.

Z_L ≠ 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 Z_L = Z₀. Komplexe Zahl (Betrag & Winkel in Polarform).

Großer Impedanzunterschied → starke Reflexion. Reflexion proportional zu Reflexionskoeffizient im LNA.

Reflexionskoeffizienten im RF-Netzwerk

Quellen- (Γ_S) & Lastreflexionskoeffizient (Γ_L) – 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 (G_T) – Der gängigste Gain-Begriff

Definition: Verhältnis Ausgangsleistung (Quelle→Last) zu höchster Quellenleistung. Komponenten:

1. Ein-/Ausgangs-Impedanzanpassungsergebnis
2. 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:

1. Transistor-internes Feedback
2. Externes Schaltkreis-Feedback / externer Transistoreingang
3. 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:

1. Input Matching Network: Rauscheinfluss reduzieren. Transistoreingang an Quelle anpassen → Rauschmaß so nah wie möglich am Minimum.
2. 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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