Введение

Усилитель сигнала, который незначительно ухудшает отношение сигнал/шум. Усилитель с низким уровнем шума (LNA) – это электронный компонент, который усиливает сигнал очень малой мощности, не оказывая существенного влияния на отношение сигнал/шум (SNR). Любой электронный усилитель увеличивает мощность как сигнала, так и шума на входе, однако сам усилитель также вносит дополнительный шум. LNA разработаны для минимизации этого дополнительного шума за счет использования специальных компонентов, режимов работы и схемотехнических решений. Минимизация дополнительного шума должна быть сбалансирована с другими задачами проектирования, такими как усиление мощности и согласование импеданса. LNA применяются в системах радиосвязи, медицинском оборудовании и электронных измерительных приборах. Типичный LNA может обеспечивать усиление мощности в 100 раз (20 децибел (dB)), при этом ухудшение SNR не превышает фактор два (показатель шума 3 дБ (NF)). Несмотря на то, что LNA в основном предназначены для работы со слабыми сигналами, находящимися чуть выше уровня шума, они также должны учитывать наличие более сильных сигналов, вызывающих интермодуляционные искажения.

Сообщения

Антенны – распространенный источник слабых сигналов. Наружная антенна часто соединяется со своим приемником линией передачи, называемой линией питания. Потери в линии питания ухудшают отношение сигнал/шум: потеря в линии питания на 3 дБ снижает отношение сигнал/шум (SNR) приемника на 3 дБ. Примером может служить линия питания, изготовленная из коаксиального кабеля RG 174 и используемая с приемником глобальной системы позиционирования (GPS). Потери в этой линии питания составляют 3,2 дБ на частоте 1 ГГц; приблизительно 5 дБ на частоте GPS (1,57542 ГГц). Эти потери в линии питания можно избежать, разместив малошумящий усилитель (LNA) на антенне, который обеспечивает достаточное усиление для компенсации потерь. LNA является ключевым компонентом на входе цепи радиоприемника, помогающим снизить нежелательный шум. Формулы Фриса моделируют шум в многокаскадной схеме сбора сигналов. В большинстве приемников общий коэффициент шума (NF) определяется первыми несколькими каскадами RF-тракта. Используя LNA вблизи источника сигнала, влияние шума от последующих каскадов цепи приема в схеме уменьшается за счет усиления сигнала, создаваемого LNA, в то время как шум, создаваемый самим LNA, добавляется непосредственно к принятому сигналу. LNA усиливает мощность полезных сигналов, добавляя как можно меньше шума и искажений. Работа, выполняемая LNA, обеспечивает оптимальное извлечение полезного сигнала на последующих стадиях системы.

Прибыль

Усилителям необходимо устройство для обеспечения усиления. В 1940-х годах таким устройством была вакуумная лампа, но сейчас обычно используется транзистор. Транзистор может быть одним из множества типов биполярных транзисторов или транзисторов с полевым эффектом. Также могут применяться другие устройства, обеспечивающие усиление, например, туннельные диоды. В целом, в проектировании малошумящих усилителей (LNA) используются две основные категории транзисторных моделей: модели для малого сигнала используют квазилинейные модели шума, а модели для большого сигнала учитывают нелинейное смешение. Величина усиления часто является компромиссом. С одной стороны, высокое усиление усиливает слабые сигналы. С другой стороны, высокое усиление приводит к сигналам большего уровня, и такие сигналы с высоким усилением могут превысить динамический диапазон усилителя или вызвать другие виды шума, такие как гармонические искажения или нелинейное смешение.

Число шума

Коэффициент шума помогает определить эффективность конкретного малошумящего усилителя (LNA). Пригодность LNA для конкретного применения обычно оценивается по его коэффициенту шума. Как правило, низкий коэффициент шума обеспечивает более качественный прием сигнала.

Импеданс

Топология схемы влияет на входное и выходное сопротивления. Как правило, сопротивление источника согласовывается с входным сопротивлением, поскольку это максимизирует передачу мощности от источника к устройству. Если сопротивление источника низкое, то целесообразно использовать схему с общей базой или общим затвором. Для источника со средним сопротивлением можно использовать схему с общим эмиттером или общим истоком. При высоком сопротивлении источника может быть подходящей схема с общим коллектором или общим стоком. Согласование входного сопротивления не обязательно обеспечивает минимальную величину шума.

Склонность

Еще одна проблема проектирования — шум, вносимый сетями смещения.

Приложения

LNA используются в приемниках связи, таких как радиотелескопы, сотовые телефоны, GPS-приемники, беспроводные локальные сети (WiFi) и системы спутниковой связи. В системе спутниковой связи принимающая антенна наземной станции использует LNA, поскольку принимаемый сигнал очень слабый – спутники имеют ограниченную мощность и, следовательно, используют маломощные передатчики. Кроме того, спутники находятся на значительном расстоянии и подвержены потерям сигнала при распространении: спутники на низкой околоземной орбите могут находиться на расстоянии 193 км (120 миль), а геостационарный спутник – гораздо дальше. LNA усиливает сигнал антенны, компенсируя потери в кабеле между антенной и приемником. LNA могут повысить эффективность систем программно-определяемого радио (SDR). SDR обычно разрабатываются как универсальные, поэтому их коэффициент шума не оптимизирован для конкретных задач. Использование LNA и подходящего фильтра позволяет улучшить характеристики в широком диапазоне частот.