Малошумящие усилители (LNA)

Так как усилитель радиочастоты находится на входе радиоприемного устройства, то его шумовые характеристики и динамический диапазон в основном определяют характеристики всего устройства в целом. А ведь уменьшение шумов радиоприемника на 3 дБ позволяет уменьшить мощность передатчика в два раза! Поэтому разработке малошумящих усилителей (LNA — low noise amplifier) всегда уделяли особое внимание.

В связи с микроминиатюризацией современной элементной базой и связанной с ней миниатюризацией узлов радиоприемного устройства сейчас на СВЧ возможно применение схемотехнических решений, которые ранее применялись на значительно более низких частотах. Это связано с тем, что размеры блока относительно длины волны рабочего колебания становятся меньше одной десятой длины волны и в результате при разработке этого блока можно пренебречь волновыми эффектами при распространении колебаний.

На высоких частотах наилучшими характеристиками обладает схема включения транзистора с общей базой. В этой схеме транзистор обладает лучшей линейностью за счет внутренней обратной связи. Кроме того, расширяется его частотная характеристика. Малая проходная емкость коллектор-эмиттер не создает условия для паразитного самовозбуждения схемы усилителя.

Для приведения входного и выходного сопротивления транзистора к стандартному волновому сопротивлению линий передачи 50 Ом обычно используются LC фильтры. При индуктивном сопротивлении базы и коллектора транзистора в рабочем диапазоне частот усилителя, эти реактивности могут быть включены в состав индуктивности фильтра, как это показано на рисунке 1.

LNA усилитель с общей базой
Рисунок 1. Принципиальная схема усилительного каскада с транзистором с общей базой (коллекторная термостабилизация)

В схеме LNA усилителя, изображенной на рисунке 1, индуктивность L1 служит для обеспечения пути протекания эмиттерного тока и является частью входной согласующей цепи. Индуктивность L2 служит для обеспечения пути протекания коллекторного тока и является частью выходной согласующей цепи. Резисторы R1 и R2 образуют схему коллекторной стабилизации режима работы. Еще один вариант высокочастотного усилителя, выполненного по схеме с общей базой, приведен на рисунке 2.

LNA интегральный усилитель
Рисунок 2. Принципиальная схема LNA усилителя на микросхеме (комбинированная стабилизация режима)

В этой схеме входное и выходное сопротивление транзистора на заданной частоте получилось емкостного характера, поэтому используется немного другая схема согласующего фильтра. Она позволяет включить входную и выходную емкость транзистора в состав LC фильтров. Стабилизация режима транзистора по постоянному току в этой схеме применена комплексная. Напряжение на базе транзистора задается делителем напряжения, собранного на резисторах R2 и R3. Напряжение эмиттерной стабилизации выделяется на резисторе R1, а напряжение коллекторной стабилизации — на резисторе R4.

В настоящее время в СВЧ усилителях в основном используются SiGe, GaAs, GaN MESFET-транзисторы, однако их схемы включения практически совпадают со схемами включения биполярных транзисторов. Схеме включения транзистора с общей базой соответствует схема усилительного каскада с общим затвором. В этих схемах для стабилизации режима работы транзистора применяется схема истоковой стабилизации (аналог эмиттерной стабилизации). Схема усилительного каскада с общим затвором приведена на рисунке 3.

LNA интегральный усилитель на MESFET транзисторе
Рисунок 3. Принципиальная схема LNA усилителя на MESFET транзисторе

По подобным схемам ряд зарубежных фирм выпускает готовые СВЧ усилители. Границы микросхем показаны на рисунках 2 и 3 пунктирной линией. В качестве примера можно назвать такие микросхемы как RF3827, RF2360 фирмы RFMD, ADL5521 фирмы Analog Devices, MAALSS0038, AM50-0015 фирмы M/A-COM. В данных микросхемах применяются арсенид-галлиевые полевые транзисторы. Верхняя усиливаемая частота может достигать значения 3 ГГц. При этом коэффициент шума колеблется в пределах от 1,2 до 1,5 дБ. Пример принципиальной схемы усилителя радиочастоты с применением интегральной микросхемы MAALSS0038 фирмы M/A-COM приведен на рисунке 4.

Малошумящий усилитель радиочастоты
Рисунок 4. Принципиальная схема усилителя радиочастоты с применением интегральной микросхемы MAALSS0038

Еще одним примером может служить микросхема HMC454ST89. Эта микросхема не обладает малым уровнем шумов, однако работает в очень широкой полосе частот. На некоторых частотах входной и выходной импеданс имеет индуктивный характер, поэтому входная и выходная согласующие цепи подключаются к микросхеме индуктивной частью, как это показано на рисунке 5.

усилитель RF с на HMC454ST89
Рисунок 5. Принципиальная схема усилителя радиочастоты с применением интегральной микросхемы HMC454ST89 для частоты 900 МГц

Для того чтобы определить входной и выходной импеданс микросхем малошумящих усилителей, по S-параметрам строится диаграмма Смита. Пример такой диаграммы для HMC454ST89 на разных частотах приведен на рисунке 6.

Диаграмма Смита
Рисунок 6. Диаграмма Смита для HMC454ST89 на наиболее часто применяющихся частотах.

Обратите внимание, что входной импеданс существенно зависит от уровня входного сигнала. Поэтому требуется тщательная проработка конструкции печатной платы. Именно поэтому все фирмы производители усилителей радиочастот приводят примеры печатных плат, которые позволяют получить наилучшие параметры усилителей. Это значительно облегчает процесс проектирования узлов телекоммуникационной аппаратуры. В качестве примера на рисунке 7 приведена фотография отладочной платы фирмы Analog Devices для микросхемы HMC454ST89.

LNA усилитель HMC454ST89 900 МГц
Рисунок 7. Конструкция малошумящего усилителя радиочастоты с применением интегральной микросхемы HMC454ST89 для частоты 900 МГц

LNA усилитель ADL5521 900 МГц
Рисунок 8. Конструкция печатной платы малошумящего усилителя радиочастоты на микросхеме ADL5521

Дата последнего обновления файла 23.02.2020

Литература:

  1. Массе Сесиль, Ньюман Эрик, Хамзин Наджим "Проектирование приемника для систем WiMax с дискретизацией промежуточной частоты, полученной после двойного преобразования с понижением частоты" "Беспроводные технологии" № 3 2008
  2. ADE-10H+ High IP3 Frequency Mixer URL:https://ww2.minicircuits.com
  3. LTC6431-20 URL:http://www.analog.com

Вместе со статьёй "Малошумящие усилители" читают:

Схемы прямого цифрового синтеза DDS
https://digteh.ru/SxemSovrTKU/dsp/dds/

Схемы преобразования частоты вверх DUC (цифровые радиотракты передатчиков)
https://digteh.ru/SxemSovrTKU/dsp/ddc/




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2019

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 82 научных и научно-методических работ, в том числе 18 книг.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика