Кіріспе
Сигнал шуы қатынасын едәуір төмендетпейтін сигнал күшейткіш. Төмен шу күшейткіші (LNA) – сигналдың шуы қатынасын едәуір төмендетпей, өте төмен қуатты сигналды күшейтетін электрондық компонент. Кез келген электрондық күшейткіш сигналдың және оның кірісіндегі шудың қуатын арттырады, бірақ күшейткіш қосымша шуды да енгізеді. LNA арнайы компоненттерді, жұмыс нүктелерін және схемалық топологияларды таңдау арқылы осы қосымша шуды азайтуға арналған. Қосымша шуды азайту, қуат күшейту және кедергілерді сәйкестендіру сияқты басқа да жобалау мақсаттарымен үйлесімді болуы керек. LNA радиобайланыс жүйелерінде, медициналық құралдарда және электрондық сынақ жабдықтарында қолданылады. Типик LNA 100 есе (20 децибел (dB)) қуат күшейтуді қамтамасыз ете алады, бұл ретте сигнал шуы қатынасын екі еседен аз төмендетеді (3 дБ шу көрсеткіші (NF)). LNA негізінен шу деңгейінен жоғары әлсіз сигналдармен айналысса да, интермодуляциялық бұрмалау тудыруы мүмкін күшті сигналдардың болуын да ескеру қажет.
A low noise amplifier (LNA) is an electronic component that amplifies a very low power signal without significantly degrading its signal to noise ratio (SNR). Any electronic amplifier will increase the power of both the signal and the noise present at its input, but the amplifier will also introduce some additional noise. LNAs are designed to minimize that additional noise, by choosing special components, operating points, and circuit topologies. Minimizing additional noise must balance with other design goals such as power gain and impedance matching. LNAs are found in radio communications systems, medical instruments and electronic test equipment. A typical LNA may supply a power gain of 100 (20 decibels (dB)) while decreasing the SNR by less than a factor of two (a 3 dB noise figure (NF)). Although LNAs are primarily concerned with weak signals that are just above the noise floor, they must also consider the presence of larger signals that cause intermodulation distortion.
Байланыс
Антенналар әлсіз сигналдардың жиі кездесетін көзі болып табылады. Сыртқы антенна көбінесе қабылдағышымен қоректендіру желісі деп аталатын тарату желісі арқылы қосылады. Қоректендіру желісіндегі жоғалтулар қабылданған сигналдың шу қатынасын төмендетеді: қоректендіру желісіндегі 3 дБ жоғалту қабылдағыштың сигналдың шу қатынасын (SNR) 3 дБ-ға төмендетеді. Мысалы, RG 174 коаксиалды кабелінен жасалған және жаһандық позициялық жүйемен (GPS) бірге қолданылатын қоректендіру желісін қарастырайық. Бұл қоректендіру желісіндегі жоғалту 1 кезінде 3,2 дБ, ал GPS жиілігінде (1,57542) шамамен 5 дБ-қа тең. Бұл қоректендіру желісіндегі жоғалтудан антеннаға LNA орнату арқылы құтылуға болады, ол жоғалтуды өтеуге жеткілікті күшейтуді қамтамасыз етеді. LNA радио қабылдағыш тізбегінің алдыңғы бөлігіндегі маңызды компонент болып табылады, әсіресе, қажетсіз шуды азайтуға көмектеседі. Friis формулалары шу модельдерін көп сатылы сигнал жинау тізбегіндегі шуды модельдейді. Көптеген қабылдағыштарда жалпы шу коэффициенті (NF) RF алдыңғы бөлігінің алғашқы бірнеше сатыларымен анықталады. Сигнал көзіне жақын LNA қолдану арқылы, LNA жасаған сигналдың күшейтуіне байланысты тізбектегі қабылдау тізбегінің кейінгі сатыларынан келетін шудың әсері азайтылады, ал LNA өзі тудырған шу тікелей қабылданған сигналға қосылады. LNA қажетті сигналдың қуатын арттырады, сонымен бірге шу мен бұрмалауды мүмкіндігінше азайтады. LNA атқаратын жұмыс жүйенің кейінгі сатыларында қажетті сигналды оңтайлы түрде алуға мүмкіндік береді.
Пайдалану
Көбейтілгіштерге күшейту үшін құрылғы қажет. 1940 жылдары бұл құрылғы вакуумдық түтік болған, бірақ қазір көбінесе транзистор қолданылады. Транзистор – биполярлы транзисторлардың немесе өріс эффектілі транзисторлардың көптеген түрлерінің бірі болуы мүмкін. Туннельді диодтар сияқты күшейту беретін басқа құрылғылар да пайдаланылуы мүмкін. Жалпы алғанда, төмен шулы күшейткіш (LNA) жобалауда транзистор модельдерінің екі категориясы қолданылады: кішкентай сигнал модельдері шудың квазилинейлі модельдерін пайдаланады, ал үлкен сигнал модельдері сызықты емес араласуды қарастырады. Күшейту мөлшері көбінесе шартты келісімге келу болып табылады. Бір жағынан, жоғары күшейту әлсіз сигналдарды күшейтеді. Екінші жағынан, жоғары күшейту жоғары деңгейлі сигналдарды білдіреді, және мұндай жоғары күшейтуі бар сигналдар күшейткіштің динамикалық диапазонын асып кетуіне немесе гармоникалық бұрмалау немесе сызықты емес араласу сияқты басқа шу түрлерін тудыруы мүмкін.
Шудың көрсеткіші
Шу көрсеткіші нақты LNA-ның тиімділігін анықтауға көмектеседі. LNA-ның нақты қолданысқа сәйкес келуі көбінесе оның шу көрсеткішімен анықталады. Әдетте, шу көрсеткіші төмен болса, сигналды қабылдау жақсы болады.
Импеданс
Сұлба топологиясы кіріс және шығыс импедансына әсер етеді. Әдетте, көздің импедансы кіріс импедансына теңестіріледі, себебі бұл көзден құрылғыға қуат беруді максималды деңгейге көтереді. Егер көздің импедансы төмен болса, ортақ негіз немесе ортақ қақпа схемасының топологиясы қолайлы болуы мүмкін. Орташа импедансты көз үшін ортақ эмиттер немесе ортақ көз топологиясын пайдалануға болады. Көздің жоғары қарсылығы болған жағдайда, ортақ коллектор немесе ортақ ағын топологиясы тиімді болуы мүмкін. Кіріс импедансын теңестіру ең төменгі шу көрсеткішін қамтамасыз етпеуі мүмкін.
Бәсекеге бейімделу
Тағы бір дизайн мәселесі – қалыптастыру желілері тудыратын шу.
Қолданбалар
LNA-лар радиотелескоптар, ұялы телефондар, GPS қабылдағыштары, сымсыз LAN-дар (WiFi) және спутниктік байланыс сияқты байланыс қабылдағыштарында қолданылады. Спутниктік байланыс жүйесінде жердегі станцияның қабылдағыш антеннасы LNA-ны пайдаланады, себебі қабылданатын сигнал спутниктердің қуаты шектеулі болғандықтан және олар төмен қуатты хабар берушілерді қолданғандықтан әлсіз болады. Спутниктер сонымен қатар алыс орналасқан және сигналдың жоғалтылуына ұшырайды: Жер төңірегіндегі төмен орбитадағы спутниктер 193 км (120 миль) қашықтықта болуы мүмкін; геостационарлық спутниктер одан да алыс. LNA антенна мен қабылдағыш арасындағы беру желісіндегі жоғалтуды өтеу үшін антенна сигналын күшейтеді. LNA бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы анықталатын радио қабылдағыш (SDR) жүйелерінің тиімділігін арттыра алады. SDR әдетте көп мақсатты болу үшін жасалған, сондықтан шу көрсеткіші нақты бір қолданысқа қарай оңтайландырылмаған. LNA және тиісті сүзгілердің көмегімен, тиімділік жиіліктер диапазонында жақсартылады.