Was ist der Unterschied zwischen einem LNA und einem PA?

Erstellt: January 1, 2023
Aktualisiert am: July 7, 2023

Das Arbeiten mit Hochfrequenzsignalen und die Auswahl von Komponenten für eine Signalkette ist herausfordernd genug. Verstärker sind ein wichtiger Teil einer Signalkette für Funksysteme, da sie dem Signal den notwendigen Schub geben, um sein Ziel zu erreichen. In diesen Systemen gibt es in der Regel zwei Arten von Verstärkern: einen Rauscharmen Verstärker (LNA) und einen Leistungsverstärker (PA). Beide Arten von Verstärkern erfüllen eine ähnliche Funktion, jedoch an unterschiedlichen Stellen in der Signalkette.

Die Unterschiede zwischen LNA und PA Komponenten veranschaulichen etwas Grundlegenderes über die Auswahl von Verstärkern: Welcher Aspekt des Signals wird durch die Komponente vor der Lieferung an eine Last manipuliert. In Funksystemen erscheinen diese Verstärker beide im RF-Frontend als Teil der Signalübertragung und -empfang, daher müssen diese Komponenten sorgfältig ausgewählt werden und sollten innerhalb des richtigen Signal-Leistungsbereichs arbeiten, um beste Ergebnisse zu liefern. In diesem Artikel werde ich die Unterschiede zwischen diesen beiden Arten von Komponenten untersuchen und einige Beispiele für fortschrittliche Teile für RF-Systeme vorstellen, die in vielen Frequenzbereichen arbeiten.

Verstärker in einem RF-Frontend

Im RF-Frontend werden typischerweise ein LNA und ein PA auf der RX- und TX-Seite verwendet. Dies ist in vielen RF-Systemen, die drahtlose Kommunikation erfordern, der Fall; die PA- und LNA-Abschnitte sind oft in Anwendungsprozessoren oder hochintegrierten RF-Transceivern eingebaut. Ein ähnlicher Anwendungsfall erscheint im Audio-Bereich, wo der Leistungsverstärker einen Lautsprecher antreibt und ein LNA an einem Mikrofon verwendet werden könnte, um leise Stimmen aus der nahen Umgebung aufzunehmen.

Das Bild unten zeigt, wo Verstärker typischerweise in einem RF-Frontend erscheinen und wie diese Verstärker in den TX- und RX-Seiten der Signalkette implementiert sind. Diese Art von TX/RX-Architektur ist typisch in Chips, die einen integrierten Transceiver-Block haben, sowie in Systemen, die diskrete Komponenten verwenden, die mit höherer Leistung arbeiten. Der Schalter am Ausgang ist optional und wird verwendet, um Zeitmultiplexverfahren (TDD) mit einer einzigen Antenne zu implementieren, so dass TX und RX in unterschiedliche Zeitfenster getrennt sind. Dies ist jedoch nicht erforderlich und die RX/TX-Leitungen können direkt mit ihren eigenen Antennen verbunden werden.

Auf der RX-Seite wird der Eingang des LNA direkt an einen Demodulator/Down-Konverter geführt, um Daten aus einem empfangenen modulierten Signal zu extrahieren. Der LNA behandelt nur den Eingang, der von der RX-Antenne empfangen wird, und soll gerade genug Verstärkung bieten, um sicherzustellen, dass das Signal die Empfindlichkeitsschwelle des Empfängers überschreitet. Dies erweitert effektiv den Empfangsbereich mit nur einer kleinen Menge an Verstärkung, die auf die RX-Signalkette angewendet wird.

Auf der TX-Seite nimmt der Leistungsverstärker den Ausgang von der Modulations-/Up-Konvertierungsstufe und verstärkt ihn, um maximale Leistung an die Last zu liefern. Im Falle direkter Verbindungen zu einer Antenne könnte die den Antennen oder anderen Komponenten im System gegebene Leistung eine Anpassung an eine reaktive Impedanz erfordern. Dies würde eine konjugierte Impedanzanpassung mit einer nichtlinearen Komponente erfordern, um maximale Leistungsübertragung zu erreichen, wie unten beschrieben.

Mit diesen Punkten im Hinterkopf, lassen Sie uns näher auf jeden Typ von Verstärker schauen.

Leistungsverstärker

Der Zweck eines Leistungsverstärkers ist sehr einfach: maximale Leistung mit minimaler Verzerrung des Signals an eine Last zu liefern. In Bezug auf das Signalniveau sollte der Leistungsverstärker das Signal-Rausch-Verhältnis in Bezug auf die Leistung im Vergleich zum Rauschpegel innerhalb der Bandbreite der Signalkette maximieren. Dies sollte recht einfach und eine offensichtliche Funktion eines Verstärkers klingen, aber wie ich in Artikeln über andere Arten von Verstärkern diskutiert habe, beinhalten verschiedene Verstärker unterschiedliche Signaleingänge und werden versuchen, verschiedene Arten von Lasten in der Signalkette zu berücksichtigen.

Um maximale Leistung an eine Last zu liefern, ist eine konjugierte Impedanzanpassung in der Signalkette erforderlich. Leistungsverstärker, die im MHz- bis GHz-Bereich für Funksysteme arbeiten, können mit einer Ausgangsimpedanz von 50 Ohm betrieben werden, sodass die Antenne auf eine Impedanz von 50 Ohm ausgelegt werden könnte, um eine reale Impedanzanpassung zu bieten. In dem Fall, dass die Antennenimpedanz reaktiv ist, wird ein Impedanzanpassungsnetzwerk mit passiven Bauteilen oder ein kaskadierter Impedanztransformator benötigt. Letzteres ist nur in physisch großen Systemen machbar, wenn bei MHz-Frequenzen gearbeitet wird, aber dies kann bei hohen GHz-Frequenzen erfolgen, ohne dass die Platine zu groß wird.

Ein anderer wichtiger Punkt bezüglich der Impedanzanpassung ist, dass eine einfache konjugierte Anpassung tatsächlich nicht in den meisten Situationen die maximale Leistungsübertragung an die TX-Antenne liefern wird. Dies liegt daran, dass es üblich ist, einen Leistungsverstärker sehr nahe an der Sättigung zu betreiben (nahe dem 1-dB-Kompressionspunkt). In diesem Zustand beginnt die Übertragungsfunktion des Leistungsverstärkers nichtlinear zu werden, wie unten gezeigt.

In diesem Zustand wird die maximale Leistungsübertragung auftreten, wenn eine sehr leichte Impedanzfehlanpassung zwischen dem Leistungsverstärker und seiner Last besteht. Dies liegt daran, dass der Wert der maximalen Leistungsübertragung eine Funktion des Eingangsleistungsniveaus sein wird, was das Lösen einer transzendentalen Gleichung in einem Optimierungsproblem erfordert, um die optimale Impedanzanpassung zu bestimmen. Eine Simulationstechnik namens Load-Pull-Analyse kann verwendet werden, um die optimale Fehlanpassung zu bestimmen, die die maximale Leistungsübertragung bietet.

Beispiel Leistungsverstärker

Leistungsverstärker sind in allen Standardverstärkerklassen verfügbar, und Komponenten sind in vielen Frequenzbereichen von Audio bis Mikrowelle erhältlich.

Einige der wichtigen Spezifikationen, die zur Auswahl eines Leistungsverstärkers verwendet werden, umfassen:

Verstärkung bei erforderlicher Frequenz - Der Verstärkungswert, der in den Spezifikationen des Verstärkers angegeben wird, gilt für eine spezifische Betriebsfrequenz oder einen Frequenzbereich.
Antriebsmechanismus - Üblicherweise ist für höhere Frequenzen eine analoge Ansteuerung erforderlich, während niedrigere Frequenzen (z.B. Audio) mit PWM-Ansteuerung betrieben werden können.
Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt - Die Gesamtbandbreite wird begrenzt, da die Verstärkung im Verstärker höher geregelt wird. Stellen Sie sicher, dass Sie mit dieser Spezifikation die benötigte Verstärkung und Bandbreite erreichen können.
Thermischer Widerstand - Leistungsverstärker können heiß werden, daher ist es wichtig, den thermischen Widerstand zu beachten, um eine grobe Schätzung der Betriebstemperatur der Komponente zu erhalten.
1 dB Kompression und 3OIP-Punkte - Der erstgenannte Wert gibt an, wann der Verstärker zu sättigen beginnt, während der letztgenannte angibt, wann die Leistungen des 3. Ordnungs Intermodulationsprodukts gleich der Hauptsignal-Leistung sind. Dies begrenzt die Eingangsleistung, die Sie im Verstärker verwenden können.

Der HMC455LP3 von Analog Devices ist ein 2,5 GHz Leistungsverstärker, basierend auf einem GaAs-InGaP-Heterojunction-Bipolartransistor. Dieser Verstärker bietet einen hohen 3OIP-Punkt (siehe die Übertragungsfunktion-Kurven unten) mit etwa 12 dB Verstärkung bei bis zu etwa 15 dBm Eingangsleistung. Diese Komponente kann in Niederfrequenz-Mikrowellensystemen, die von 1,7 GHz bis 2,5 GHz arbeiten, nützlich sein.

Für Audiosysteme ist der TPA2012D2RTJR von Texas Instruments ein Klasse-D-Audioverstärker, der eine wählbare Verstärkung mit bis zu 2,1 W Leistungsausgabe im Audiobereich bietet. Die Komponente kann eine Leistungsversorgung für 4 Ohm oder 8 Ohm Lautsprecher bei 5 V oder 3,6 V mit einer wählbaren Verstärkung von bis zu 24 dB bereitstellen. Diese Komponente kommt in einem sehr kleinen BGA-Paket, was sie für den Einsatz in mobilen Geräten, einschließlich Telefonen, Tablets und tragbaren Mediaplayern, geeignet macht.

Rauscharme Verstärker

Ein rauscharmer Verstärker soll die Spannung eines eingehenden Signals verstärken, ohne das begleitende Rauschen im System wesentlich zu verstärken, wodurch der SNR-Wert für das Signal erhöht wird. Diese Komponenten müssen ein sehr geringes inhärentes Rauschen aufweisen, um solche Verstärkungscharakteristiken zu bieten. Sie müssen auch in der Lage sein, Rauschquellen innerhalb ihrer Betriebsbandbreite ausreichend abzulehnen, was eine hohe PSRR und einen engen Roll-off in ihrer Übertragungsfunktion-Kurve erfordert. Schließlich müssen diese Komponenten bei der Anwendung hoher Verstärkung eine hohe Linearität aufweisen, um die Erzeugung von Harmonischen und Intermodulationsprodukten zu minimieren.

Um eine sehr hohe Verstärkung mit minimaler Rauschverstärkung zu bieten, ist eine der wichtigen Spezifikationen die Rauschzahl, oder genauer das Verhältnis von Verstärkung zu Rauschzahl. Einige sehr empfindliche Empfängeranwendungen könnten Verhältnisse von 20 bis 30 erfordern (z.B. 1 dB Rauschzahl mit 20 bis 30 dB Verstärkung).

Beispiel eines rauscharmen Verstärkers

Ein sehr einfaches Beispiel für einen LNA ist der MBC13720NT1 von NXP Semiconductors. Diese LNA-Komponente hat einen sehr weiten Betriebsfrequenzbereich, der von 400 MHz bis 2,4 GHz reicht. Diese Komponente kann einen wählbaren gesteuerten Strom bis zu 11 mA mit hoher Verstärkung, die bei 900 MHz 20 dB erreicht, liefern. Die Rauschzahl ist ebenfalls niedrig, mit einem Verhältnis von Verstärkung zu Rauschzahl von ungefähr 15. Diese Art von Komponente wäre nützlich auf der RX-Seite von Sub-GHz-Funktransceivermodulen, die mit hoher Leistung arbeiten.

Was Sie sonst noch in Ihrer Signalkette benötigen

Aus dem oben gezeigten Diagramm sollte klar sein, dass viele andere Komponenten benötigt werden, um eine vollständige Signalkette für moderate bis hochleistungsfähige RF-Systeme zu bauen. Für Anwendungen auf Verbraucherebene oder beim Betrieb in Bluetooth WiFi gibt es einige hochintegrierte RF-MCU-SoCs, die das gesamte Frontend in die Komponente integrieren. Es gibt auch Funkmodule, die für diese Systeme ausgewählt werden können und das gesamte Frontend des Chips umfassen. Andere Funkbänder, die nicht denselben Marktdurchdringungsgrad haben, verfügen im Allgemeinen nicht über diese integrierten Lösungen, und Entwickler müssen den hier umrissenen Ansatz verfolgen.

Eine Anwendung wie Software Defined Radio, Amateurfunk oder Betrieb in einem ISM-Band wird wahrscheinlich den Aufbau Ihrer eigenen Signalkette vollständig aus diskreten Komponenten erfordern. Einige der Komponenten, die Sie in dieser Anwendung benötigen, umfassen einen digitalen Prozessor zur Steuerung des gesamten Systems sowie jedes der oben aufgeführten HF-Elemente. Einige der benötigten Komponenten finden Sie in den folgenden Ressourcen:

Entwickler, die an RF-Systemen mit integrierten oder diskreten Komponenten arbeiten, können kostenlos auf Daten, Einblicke und Beschaffungsinformationen zugreifen, indem sie die Suchfunktionen von Octopart nutzen. Nur Octopart bietet fortgeschrittene Such- und Filterfunktionen, um Käufern beim Finden von Komponenten und aktuellen Distributorenpreisen, Teilebeständen und Teilespezifikationen zu helfen. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um die benötigten Komponenten zu finden.

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