10 Dicas Essenciais para Projetar Amplificadores de Baixo Ruído

A função primária de um design de amplificador de baixo ruído é amplificar sinais de pequena potência. Em um microfone eletrônico, a mensagem pode ser tanto tensão quanto corrente, variável w.r.t. Tempo. Como todos os amplificadores, o amplificador de baixo ruído também é um circuito de duas portas. Ele consome potência elétrica para melhorar a amplitude do sinal de entrada. Resulta em um sinal de saída proporcionalmente maior.

Este artigo discute dez considerações práticas para manter em mente para design de LNA.

Design de Amplificador de Baixo Ruído – Uma Baixa Figura de Ruído Oferece Melhor Desempenho LNA.

Amplificadores de baixo ruído são componentes vitais em vários dispositivos. Alguns deles são comunicações de rádio, instrumentos médicos e máquinas de teste eletrônico.

Um amplificador de baixo ruído típico pode fornecer um ganho de potência de 100 (+20 decibéis). Simultaneamente, pode reduzir a relação sinal-ruído até 3 dB (menos que um fator de dois). Sinais bem acima do nível do piso de ruído podem causar distorções de intermodulação.

Componentes da cadeia de sinal degradam a relação sinal-ruído (SNR), figura de ruído refere-se a esta degradação. É um valor numérico que define o desempenho de um amplificador. Valores menores de figura de ruído significam melhores resultados do amplificador de baixo ruído. Em termos de decibéis, a figura de ruído é a mesma que o fator de ruído.

Design de Amplificador de Baixo Ruído – Você Precisa de Três Parâmetros para Calcular o Ganho de Potência do Amplificador.

Uma característica distinta no circuito amplificador é ganho de potência maior que unidade. Em termos simples, o ganho de um amplificador é a razão de sua potência de saída para a entrada. Amplificador de baixo ruído (LNA) reduz o ruído extra - que é um efeito colateral do uso de alto-falantes. Para alcançar isso, designers precisam fatorar algumas coisas em seus designs de PCB/circuito. Alguns deles incluem escolher componentes de baixo ruído e correspondência de impedância.

Para calcular o ganho de potência do amplificador, você precisará dos valores de 3 parâmetros. Os parâmetros são:

1. Ganho de potência do transdutor

Aponta para os benefícios do amplificador em vez de usar a fonte para acionar diretamente a mesma carga. Frequentemente um amplificador de baixo ruído é conjugado-combinado à causa. O ganho de potência do transdutor é então o mesmo que ganho de potência operacional.

2. Ganho de potência operacional

Em uma rede de duas portas, potência dissipa na carga. A razão desta potência dissipada para a potência de entrada é o ganho de potência operacional.

3. Potência/ganho máximo disponível (MAG)

PLM= Maior potência média disponível na carga(saída).

PSM= Maior potência disponível na fonte.

MAG é a razão de PLM e PSM.

Os valores destes parâmetros dependem de muitos fatores como carga, entrada, saída e fonte. Coeficiente de reflexão e S-parâmetros também são necessários para derivar os valores acima.

Contexto de Linha de Transmissão

Uma linha de transmissão é um meio condutor que transporta sinais por vastas distâncias. Perda ou distorção é a menor (frequentemente negligenciável).

Considere impedância de carga ZL e impedância de fonte ZS. Tensão (ou potência) é a soma de ondas incidente e reflexão. Elas viajam em direções opostas ao longo da linha de impedância característica de transmissão (Z0).

Se ZL não é igual a Z0, a carga reflete algumas das ondas incidente em direção à fonte. O processo continua como um loop indefinido em linhas de transmissão sem perdas.

O Coeficiente de Reflexão no Caso de uma Correspondência de Impedância Perfeita é Zero

O coeficiente de reflexão é uma razão da onda incidente e onda refletida. Consideração é zero quando a impedância de carga é igual à impedância característica. É um número complexo, com magnitude e ângulo na forma polar.

Se a diferença entre as duas impedâncias é vasta, podemos esperar uma grande extensão de reflexão. A reflexão é proporcional ao coeficiente de reflexão em um amplificador de baixo ruído.

Os Respectivos Coeficientes de Reflexão na Rede RF

Coeficiente de reflexão de fonte e Coeficiente de reflexão de carga são termos usados em Redes RF. Eles são os mesmos que impedância de fonte e carga para amplificadores de baixo ruído.

Em gráficos de fluxo de onda, você pode representar ondas incidente e reflexão. Plote o gráfico de fluxo usando relações lineares dentro das variáveis da rede. Garante a construção rápida de uma função de transferência entre 2 pontos da rede.

Os nós no gráfico de fluxo representam diferentes variáveis. As variáveis independentes ligam com as dependentes através de diferentes caminhos. Um valor de ganho se anexa à função de caminho, é relativo ao coeficiente de reflexão das variáveis concernidas.

Você Pode Categorizar um LNA por seus S-parâmetros

S-Parâmetros ou parâmetros de espalhamento são essenciais em designs de amplificador de baixo ruído. Eles descrevem características de rede linear sob o efeito de sinais elétricos.

Cargas de correspondência são famosas para estudar S-parâmetros. A razão principal é a facilidade de uso para altas frequências de sinal. Analisadores de rede vetorial modernos calculam a amplitude e fase de fasores de onda.

Você pode expressar as propriedades elétricas de vários componentes a bordo usando S-parâmetros. Componentes podem incluir:

1. resistores

2. indutores

3. capacitores

Parâmetros podem mostrar características como ganho, perda de retorno, VSWR, coeficiente de reflexão ou estabilidade. Ter compreensão de álgebra de matriz é essencial para entender S-parâmetros. Os parâmetros seguem estas leis de álgebra.

Use MAG como Critério de Triagem Preliminar para LNAs de 2 Portas.

O MAG indica o maior ganho de potência teórico que você pode obter do dispositivo. A fonte e cargas de impedância são conjugadas-combinadas. MAG é uma propriedade essencial para amplificadores RF de 2 portas. Admitância de transferência reversa zero. Para a definição adequada, olhe acima.

Em uma rede de duas portas, MAG pode mostrar os níveis de ganho disponíveis de um amplificador de baixo ruído. Dessa forma, podemos avaliar se o LNA é adequado para a tarefa. Também é por isso que o MAG é o critério de triagem primário para redes RF, LNA e micro-ondas.

Mais Ganho do Transdutor

O termo de ganho mais comum no design de amplificador RF é ganho do transdutor. Conforme definição, a razão entre a potência de saída da fonte para carga e a maior potência da fonte. Ganho do transdutor inclui alguns componentes:

1. Podemos inserir e sair o resultado de correspondência de impedância.

2. O ganho total do amplificador devido ao LNA.

Uma das funções deste parâmetro é a redução da seguinte matriz de circuito em uma 2×2. Esta redução de matriz ajuda em medição e cálculo, perdas resistivas entre os componentes do circuito ocorrem durante o processo. Negligencie-as durante o cálculo do ganho do transdutor.

Estabilidade é a Consideração Primária

A estabilidade, ou resistência à oscilação, é uma consideração essencial durante o design de LNA. Alguns parâmetros são úteis na determinação da estabilidade de amplificadores de baixo ruído. Eles incluem os S-parâmetros, redes de correspondência e terminações.

Três fenômenos são responsáveis pela instabilidade em um amplificador. Eles são:

1. Feedback interno do transistor.

2. A razão pode ser devido a um circuito externo, entrada externa do transistor.

3. Ganho desnecessário fora da banda de frequência necessária de operação.

Seria útil se você calculasse o fator de estabilidade de Rollett (K) usando os S-parâmetros dados. O determinante da matriz, junto com o fator de estabilidade, pode determinar a estabilidade. Um amplificador é estável apenas quando K é maior que 1. Além disso, o valor do determinante não deve exceder um.

Design de Amplificador de Baixo Ruído – Valor de Impedância Mais Adequado

O Gráfico de Smith é necessário para projetar redes de correspondência de impedância. Linhas de transmissão mudam as propriedades de impedância usando linhas microstrip, estas linhas têm impedâncias características variáveis. Elas também podem transformar o valor de qualquer resistor.

Existem dois tipos de redes de correspondência:

1. Rede de correspondência de entrada: Estas são úteis para reduzir influência de ruído. Combina a entrada do transistor à fonte. Dessa forma, podemos obter uma figura de ruído o mais próxima possível do menor ruído possível.

2. Rede de correspondência de saída: Esta rede combina a saída do transistor com a carga. Assim, o sistema fornece o maior ganho potencial - maximizando potência.

Resumo

Esperamos que o guia acima foi útil. Estas considerações são necessárias para o design adequado de um amplificador de baixo ruído.

Um sinal de entrada com uma figura de ruído menor obterá melhor amplificação através de LNAs. Sinais bem acima do piso de ruído enfrentarão distorção de intermodulação. Ganho de potência do transdutor, ganho operacional, MAG são necessários para encontrar o ganho do amplificador. Os restantes vitais são S-parâmetros, estabilidade e coeficientes de reflexão. Diferentes valores de impedância podem causar reflexões de onda. O coeficiente de reflexão é 0 quando as impedâncias combinam.

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