10 considerações práticas para o projeto do amplificador de baixo ruído

A função primária de um Projeto de amplificador de baixo ruído é amplificar pequenos sinais de potência. Em um microfone eletrônico, a mensagem pode ser tensão ou corrente, variável w.r.t. Tempo. Como todos os amplificadores, o amplificador de baixo ruído também é um circuito de duas portas. Ele consome energia elétrica para aumentar a amplitude do sinal de entrada. Isso resulta em um sinal de saída proporcional mais alto.

Este artigo discute dez considerações práticas a serem lembradas para o projeto de LNA.

Design de amplificador de baixo ruído – uma figura de baixo ruído oferece melhor desempenho de LNA.

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

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

Os 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 de figura de ruído mais baixos significam melhores resultados do amplificador de baixo ruído. Em termos de decibéis, a figura de ruído é igual ao 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 mais significativa do que o ganho de potência unitário. Em termos simples, o ganho de um amplificador é a razão entre sua potência de saída e a entrada. O amplificador de baixo ruído (LNA) reduz o ruído extra - que é um efeito colateral do uso de alto-falantes. Para conseguir isso, os projetistas precisam levar em consideração algumas coisas em seus projetos de PCB/circuito. Alguns deles incluem a escolha de componentes de baixo ruído e casamento 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

Ele aponta para os benefícios do amplificador em vez de usar a fonte para direcionar a mesma carga. Muitas vezes, um amplificador de baixo ruído é conjugado com a causa. O ganho de potência do transdutor é então o mesmo que o ganho de potência operacional.

2. Ganho de potência operacional

Em uma rede de duas portas, a energia se dissipa na carga. A razão entre esta potência de dissipação e a potência de entrada é o ganho de potência operacional.

3. Potência/ganho máximo disponível (MAG)

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

PSM=A potência mais alta está disponível na fonte.

MAG é a razão de PLM e PSM.

O valor desses parâmetros depende de muitos fatores, como carga, entrada, saída e fonte. O coeficiente de reflexão e os parâmetros S também são necessários para derivar os valores acima.

fundo da linha de transmissão

Uma linha de transmissão é um meio condutor que transporta sinais por grandes distâncias. Perda ou distorção é a menor (muitas vezes insignificante).

Considere a impedância de carga ZL e a impedância de fonte ZS. A tensão (ou potência) é a soma das ondas incidentes e de reflexão. Eles viajam em direções opostas ao longo da linha de impedância característica de transmissão (Z0).

Se ZL não for igual a Z0, a carga reflete algumas das ondas incidentes 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 perfeita de impedância é zero

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

Se a diferença entre as duas impedâncias for grande, 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 de RF

Coeficiente de reflexão de fonte e coeficiente de reflexão de carga são termos usados ​​em redes de RF. Eles são iguais à impedância de fonte e de carga para amplificadores de baixo ruído .

Nos gráficos de fluxo de ondas, você pode representar ondas incidentes e de reflexão. Trace o gráfico de fluxo usando relações lineares dentro das variáveis ​​de rede. Garante a construção rápida de uma função de transferência entre 2 pontos de rede.

Os nós no gráfico de fluxo representam diferentes variáveis. As variáveis ​​independentes ligam-se às dependentes através de diferentes caminhos. Um valor de ganho se liga à função de caminho, é relativo ao coeficiente de reflexão das variáveis ​​em questão.

Você pode categorizar um LNA por seus parâmetros S

Parâmetros S ou parâmetros de dispersão são essenciais em projetos de amplificadores de baixo ruído. Eles descrevem as características lineares da rede sob o efeito de sinais elétricos.

As cargas correspondentes são famosas por estudar os parâmetros S. A principal razão é a facilidade de uso para altas frequências de sinal. Os analisadores de rede vetorial modernos calculam a amplitude e a fase dos fasores das ondas.

Você pode expressar as propriedades elétricas de vários componentes integrados usando parâmetros S. Os componentes podem incluir:

1. resistores

2. indutores

3. capacitores

Os parâmetros podem mostrar recursos como ganho, perda de retorno, VSWR, coeficiente de reflexão ou estabilidade. Ter uma compreensão da álgebra matricial é essencial para entender os parâmetros S. Os parâmetros seguem essas leis da álgebra.

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

O MAG indica o maior ganho teórico de potência que você pode obter do dispositivo. As cargas de fonte e impedância são conjugadas. MAG é uma propriedade essencial para amplificadores de RF de 2 portas. Transferência reversa admitância zero. Para a definição adequada, veja acima.

Em uma rede de duas portas, o 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. É também por isso que o MAG é o principal critério de triagem para redes de RF, LNA e micro-ondas.

Mais ganho do transdutor

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

1. Podemos inserir e enviar o resultado do casamento de impedância.

2. O ganho total do amplificador devido ao LNA.

Uma das funções deste parâmetro é a redução da matriz do circuito a seguir em 2×2. Esta redução da matriz ajuda na medição e cálculo, perdas resistivas entre os componentes do circuito ocorrem durante todo o processo. Despreze-os durante o cálculo do ganho do transdutor.

Estabilidade é a consideração principal

A estabilidade, ou resistência à oscilação, é uma consideração essencial durante o projeto de LNA. Alguns parâmetros são úteis para determinar a estabilidade de amplificadores de baixo ruído. Eles incluem os parâmetros S, redes correspondentes e terminações.

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

1. Feedback interno do transistor.

2. O motivo pode ser devido a um circuito externo, entrada de transistor externo.

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

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

Design de amplificador de baixo ruído – valor de impedância mais adequado

O Smith Chart é necessário para projetar redes de impedância correspondentes. As linhas de transmissão alteram as propriedades de impedância usando linhas de microfita, essas linhas têm impedâncias características variadas. Eles também podem transformar o valor de qualquer resistor.

Existem dois tipos de redes correspondentes:

1. Rede de correspondência de entrada:São úteis para reduzir a influência do ruído. Ele combina a entrada do transistor com a fonte. Desta forma, podemos obter uma figura de ruído o mais próximo 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 a maior potência potencial de maximização de ganho.

Resumo

Esperamos que o guia acima tenha sido útil. Essas considerações são necessárias para o projeto adequado de um amplificador de baixo ruído.

Um sinal de entrada com uma figura de ruído mais baixa obterá melhor amplificação através de LNAs. Sinais bem acima do nível 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 os parâmetros S, estabilidade e coeficientes de reflexão. Diferentes valores de impedância podem causar reflexões de ondas. O coeficiente de reflexão é 0 quando as impedâncias coincidem.

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