¿Cuál es la diferencia entre un LNA y un PA?

Creado: Enero 1, 2023
Actualizado: Julio 1, 2024

Trabajar con señales de alta frecuencia y seleccionar componentes para una cadena de señal es suficientemente desafiante. Los amplificadores son una parte importante de una cadena de señal para sistemas de radio ya que proporcionan el impulso que una señal necesita para alcanzar su destino. En estos sistemas, tienden a aparecer dos tipos de amplificadores: un amplificador de bajo ruido (LNA, por sus siglas en inglés) y un amplificador de potencia (PA, por sus siglas en inglés). Ambos tipos de amplificadores realizan una función similar, pero en diferentes lugares de la cadena de señal.

Las diferencias entre los componentes LNA y PA ilustran algo más fundamental sobre la selección de amplificadores: qué aspecto de la señal está siendo manipulado por el componente antes de su entrega a una carga. En los sistemas de radio, estos amplificadores aparecerán ambos en el frente de RF como parte de la transmisión y recepción de señales, por lo que estos componentes deben ser elegidos cuidadosamente y deberían operar dentro del rango de potencia de señal correcto para proporcionar los mejores resultados. En este artículo, examinaré las diferencias entre estos dos tipos de componentes y proporcionaré algunos ejemplos de partes avanzadas para sistemas de RF que operan en muchos rangos de frecuencia.

Amplificadores en un Frente de RF

En el frente de RF, un LNA y un PA se utilizan típicamente en los lados RX y TX, respectivamente. Esto es generalmente el caso en muchos sistemas de RF que requieren comunicación inalámbrica; las secciones de PA y LNA a menudo están integradas en procesadores de aplicaciones o transceptores de RF altamente integrados. Un caso de uso similar aparece en audio, donde el amplificador de potencia está impulsando un altavoz y un LNA podría ser utilizado en un micrófono para recoger voces débiles del entorno cercano.

La imagen a continuación muestra dónde aparecen típicamente los amplificadores en un frente de RF y cómo estos amplificadores se implementan en los lados TX y RX de la cadena de señal. Este tipo de arquitectura TX/RX es típica en chips que tienen un bloque transceptor integrado, así como en sistemas que usan componentes discretos que funcionan a mayor potencia. El interruptor en la salida es opcional y se utiliza para implementar la multiplexación por división de tiempo (TDD) con una sola antena de modo que TX y RX se separen en diferentes ventanas de tiempo. Sin embargo, esto no es requerido y las líneas RX/TX pueden conectarse directamente a sus propias antenas.

En el lado RX, la entrada del LNA se alimenta directamente a un demodulador/conversor descendente para extraer datos de una señal modulada recibida. El LNA solo maneja la entrada recibida por la antena RX y está destinado a proporcionar justo suficiente ganancia para asegurar que la señal exceda la sensibilidad umbral del receptor. Esto efectivamente extiende el rango de recepción con solo una pequeña cantidad de ganancia aplicada en la cadena de señal RX.

En el lado TX, el amplificador de potencia toma la salida de la etapa de modulación/conversión ascendente y la amplifica para entregar la máxima potencia a la carga. En el caso de conexiones directas a una antena, la potencia dada a las antenas o cualquier otro componente en el sistema podría requerir adaptación a una impedancia reactiva. Esto requerirá una adaptación de impedancia conjugada con un componente no lineal para alcanzar la transferencia de potencia máxima como se describe a continuación.

Con estos puntos en mente, veamos más de cerca cada tipo de amplificador.

Amplificadores de Potencia

El propósito de un amplificador de potencia es muy simple: entregar la máxima potencia a una carga con la mínima distorsión de la señal. En términos de nivel de señal, el amplificador de potencia debe maximizar la relación señal-ruido en términos de potencia en comparación con el piso de ruido dentro del ancho de banda de la cadena de señal. Esto debería sonar bastante simple y una función obvia de un amplificador, pero como he discutido en artículos sobre otros tipos de amplificadores, diferentes amplificadores involucran diferentes entradas de señal e intentarán acomodar diferentes tipos de cargas en la cadena de señal.

Para entregar la máxima potencia a una carga, se necesita una adaptación de impedancia conjugada en la cadena de señal. Los amplificadores de potencia que operan en el rango de MHz a GHz para sistemas de radio pueden operar con una impedancia de salida de 50 Ohm, por lo que la antena podría diseñarse a una impedancia de 50 Ohm para proporcionar una adaptación de impedancia real. En el caso de que la impedancia de la antena sea reactiva, se necesita una red de adaptación de impedancia con pasivos, o se necesita un transformador de impedancia en cascada. Este último solo es factible en sistemas físicamente grandes cuando se trabaja a frecuencias de MHz, pero esto se puede hacer a altas frecuencias de GHz sin hacer la placa demasiado grande.

El otro punto importante sobre la adaptación de impedancia es que la simple adaptación conjugada en realidad no entregará la transferencia máxima de potencia a la antena TX en la mayoría de las situaciones. Esto se debe a que es común operar un amplificador de potencia muy cerca de la saturación (cerca del punto de compresión de 1 dB). En este estado, la función de transferencia del amplificador de potencia comienza a volverse no lineal, como se muestra a continuación.

En este estado, la transferencia máxima de potencia ocurrirá cuando haya una desadaptación de impedancia muy leve entre el amplificador de potencia y su carga. Esto se debe a que el valor de transferencia máxima de potencia será una función del nivel de potencia de entrada, lo que requiere resolver una ecuación trascendental en un problema de optimización para determinar la adaptación de impedancia óptima. Una técnica de simulación llamada análisis de pull de carga se puede utilizar para determinar la desadaptación óptima que proporciona la máxima transferencia de potencia.

Ejemplo de Amplificadores de Potencia

Los amplificadores de potencia están disponibles en cualquiera de las clases de amplificador estándar, y los componentes están disponibles en muchos rangos de frecuencias que abarcan desde el audio hasta el microondas.

Algunas de las especificaciones importantes utilizadas para seleccionar un amplificador de potencia incluyen:

Ganancia a la frecuencia requerida - El valor de ganancia que se indica en las especificaciones del amplificador será válido para una frecuencia de operación específica o un rango de frecuencias.
Mecanismo de conducción - Por lo general, se requiere conducción analógica para frecuencias más altas, mientras que las frecuencias más bajas (por ejemplo, audio) pueden funcionar con conducción PWM.
Producto ganancia-ancho de banda - El ancho de banda total estará limitado a medida que la ganancia en el amplificador aumente. Asegúrate de poder obtener la ganancia y el ancho de banda que necesitas con esta especificación.
Resistencia térmica - Los amplificadores de potencia pueden calentarse, por lo que es importante tener en cuenta la resistencia térmica para obtener una estimación aproximada de la temperatura de operación del componente.
Compresión de 1 dB y puntos 3OIP - El primer valor te indica cuándo el amplificador comienza a saturarse, mientras que el último te indica cuándo las potencias de productos de intermodulación de tercer orden son iguales a la potencia de la señal principal. Esto limita la potencia de entrada que puedes usar en el amplificador.

El HMC455LP3 de Analog Devices es un amplificador de potencia de 2.5 GHz basado en un transistor bipolar de heterounión GaAs-InGaP. Este amplificador proporciona un alto punto 3OIP (ver las curvas de función de transferencia a continuación) con aproximadamente 12 dB de ganancia con hasta aproximadamente 15 dBm de potencia de entrada. Este componente puede ser útil en sistemas de microondas de baja frecuencia que operan de 1.7 GHz a 2.5 GHz.

Para sistemas de audio, el TPA2012D2RTJR de Texas Instruments es un amplificador de audio Clase D que ofrece ganancia seleccionable con hasta 2.1 W de salida de potencia en el rango de audio. El componente puede proporcionar entrega de potencia a altavoces de 4 Ohm o 8 Ohm a 5 V o 3.6 V con una ganancia seleccionable de hasta 24 dB. Este componente viene en un paquete BGA muy pequeño, lo que lo hace apropiado para su uso en dispositivos móviles, incluidos teléfonos, tabletas y reproductores de medios portátiles.

Amplificadores de Bajo Ruido

Un amplificador de bajo ruido tiene como objetivo amplificar el voltaje de una señal entrante sin amplificar significativamente el ruido acompañante en el sistema, aumentando así el valor SNR para la señal. Estos componentes deben tener un ruido inherente muy bajo para proporcionar tales características de amplificación. También deben ser capaces de rechazar suficientemente las fuentes de ruido dentro de su ancho de banda operativo, lo que requiere un alto PSRR y un estrecho desvanecimiento en su curva de función de transferencia. Finalmente, para minimizar la distorsión al aplicar alta ganancia, estos componentes deben tener una alta linealidad para prevenir la generación de armónicos y productos de intermodulación.

Para proporcionar una ganancia muy alta con una mínima amplificación de ruido, una de las especificaciones importantes es la figura de ruido, o más específicamente la relación ganancia-figura de ruido. Algunas aplicaciones de receptores muy sensibles podrían requerir que estas relaciones varíen de 20 a 30 (por ejemplo, una figura de ruido de 1 dB con una ganancia de 20 a 30 dB).

Ejemplo de Amplificador de Bajo Ruido

Un ejemplo muy simple de LNA es el MBC13720NT1 de NXP Semiconductors. Este componente LNA tiene un rango de frecuencia de operación muy amplio, que abarca desde 400 MHz hasta 2.4 GHz. Este componente puede proporcionar una corriente controlada seleccionable de hasta 11 mA con una alta ganancia que alcanza los 20 dB a 900 MHz. La figura de ruido también es baja, con un valor de relación ganancia-figura de ruido de aproximadamente 15. Este tipo de componente sería útil en el lado RX de módulos transceptores de radio sub-GHz que operan a alta potencia.

Qué Más Se Necesita En Tu Cadena de Señal

Del diagrama mostrado arriba, debería quedar claro que se necesitan muchos otros componentes para construir una cadena de señal completa para sistemas RF de potencia moderada a alta. Para aplicaciones a nivel de consumidor, o cuando se opera en Bluetooth WiFi, hay algunos RF MCU SoCs altamente integrados que incluyen todo el frente del componente. También hay módulos inalámbricos que se pueden seleccionar para estos sistemas, los cuales incluirán todo el frente del chip. Otras bandas de radio, que no tienen el mismo nivel de penetración en el mercado, generalmente carecen de estas soluciones integradas, y los diseñadores tendrán que tomar el enfoque aquí descrito.

Una aplicación como radio definida por software, radioaficionado, o la operación en una banda ISM probablemente requerirá construir su propia cadena de señal enteramente a partir de componentes discretos. Algunos de los componentes que necesitarás en esta aplicación incluyen un procesador digital para controlar todo el sistema, así como cada uno de los elementos RF mencionados anteriormente. Algunos de los componentes que necesitas se pueden encontrar en los siguientes recursos:

Los diseñadores que trabajan en sistemas RF utilizando componentes integrados o discretos pueden acceder a los datos, perspectivas e información de abastecimiento de forma gratuita utilizando las funciones de búsqueda en Octopart. Solo Octopart proporciona funciones avanzadas de búsqueda y filtrado para ayudar a los compradores a encontrar componentes y datos de precios de distribuidores actualizados, inventario de partes y especificaciones de partes. Echa un vistazo a nuestra página de circuitos integrados para encontrar los componentes que necesitas.

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