Quelle est la différence entre un LNA et un PA ?

Créé: Janvier 1, 2023
Mise à jour: Juillet 1, 2024

Travailler avec des signaux haute fréquence et sélectionner des composants pour une chaîne de signal est suffisamment difficile. Les amplificateurs sont une partie importante d'une chaîne de signal pour les systèmes radio car ils fournissent le renforcement nécessaire à un signal pour atteindre sa destination. Dans ces systèmes, il y a généralement deux types d'amplificateurs qui apparaissent : un amplificateur à faible bruit (LNA) et un amplificateur de puissance (PA). Ces deux types d'amplificateurs remplissent une fonction similaire, mais à des endroits différents dans la chaîne de signal.

Les différences entre les composants LNA et PA illustrent quelque chose de plus fondamental sur la sélection d'amplificateurs : quel aspect du signal est manipulé par le composant avant sa livraison à une charge. Dans les systèmes radio, ces amplificateurs apparaîtront tous les deux dans l'avant-plan RF comme partie de la diffusion et de la réception du signal, donc ces composants doivent être choisis avec soin et devraient fonctionner dans la bonne plage de puissance de signal pour fournir les meilleurs résultats. Dans cet article, j'examinerai les différences entre ces deux types de composants et fournirai quelques exemples de pièces avancées pour les systèmes RF opérant dans de nombreuses gammes de fréquences.

Amplificateurs dans un Avant-Plan RF

Dans l'avant-plan RF, un LNA et un PA sont typiquement utilisés sur les côtés RX et TX, respectivement. C'est généralement le cas dans de nombreux systèmes RF qui nécessitent une communication sans fil ; les sections PA et LNA sont souvent intégrées dans des processeurs d'application ou des émetteurs-récepteurs RF hautement intégrés. Un cas d'utilisation similaire apparaît dans l'audio, où l'amplificateur de puissance alimente un haut-parleur et un LNA pourrait être utilisé sur un microphone pour collecter des voix faibles de l'environnement proche.

L'image ci-dessous montre où les amplificateurs apparaissent typiquement dans un avant-plan RF et comment ces amplificateurs sont implémentés dans les côtés TX et RX de la chaîne de signal. Ce type d'architecture TX/RX est typique dans les puces qui ont un bloc émetteur-récepteur intégré, ainsi que dans les systèmes qui utilisent des composants discrets fonctionnant à une puissance plus élevée. Le commutateur en sortie est optionnel et est utilisé pour implémenter la multiplexage par répartition dans le temps (TDD) avec une seule antenne de sorte que TX et RX soient séparés dans différentes fenêtres temporelles. Cependant, cela n'est pas requis et les lignes RX/TX peuvent être connectées directement à leurs propres antennes.

Sur le côté RX, l'entrée du LNA est directement alimentée à un démodulateur/convertisseur abaisseur pour extraire les données d'un signal modulé reçu. Le LNA ne gère que l'entrée reçue par l'antenne RX et est destiné à fournir juste assez de gain pour assurer que le signal dépasse la sensibilité seuil du récepteur. Cela étend efficacement la portée de réception avec juste une petite quantité de gain appliquée sur la chaîne de signal RX.

Sur le côté TX, l'amplificateur de puissance prend la sortie de l'étape de modulation/surconversion et l'amplifie pour délivrer la puissance maximale à la charge. Dans le cas de connexions directes à une antenne, la puissance donnée aux antennes ou à tout autre composant dans le système pourrait nécessiter une adaptation à une impédance réactive. Cela nécessitera une adaptation d'impédance conjuguée avec un composant non linéaire pour atteindre le transfert de puissance maximal comme décrit ci-dessous.

Avec ces points à l'esprit, examinons de plus près chaque type d'amplificateur.

Amplificateurs de Puissance

Le but d'un amplificateur de puissance est très simple : fournir la puissance maximale à une charge avec une distorsion minimale du signal. En termes de niveau de signal, l'amplificateur de puissance devrait maximiser le rapport signal-sur-bruit en termes de puissance par rapport au plancher de bruit dans la bande passante de la chaîne de signal. Cela devrait sembler plutôt simple et une fonction évidente d'un amplificateur, mais comme je l'ai discuté dans des articles sur d'autres types d'amplificateurs, différents amplificateurs impliquent différents signaux d'entrée et tenteront d'accommoder différents types de charges dans la chaîne de signal.

Pour fournir la puissance maximale à une charge, un appariement d'impédance conjuguée est nécessaire dans la chaîne de signal. Les amplificateurs de puissance opérant dans la gamme MHz à GHz pour les systèmes radio peuvent fonctionner avec une impédance de sortie de 50 Ohms, donc l'antenne pourrait être conçue pour une impédance de 50 Ohms pour fournir un appariement d'impédance réel. Dans le cas où l'impédance de l'antenne est réactive, un réseau d'appariement d'impédance est nécessaire avec des passifs, ou un transformateur d'impédance en cascade est nécessaire. Ce dernier n'est réalisable que dans des systèmes physiquement grands lorsqu'on travaille à des fréquences MHz, mais cela peut être fait à des fréquences GHz élevées sans rendre la carte trop grande.

L'autre point important concernant l'appariement d'impédance est que l'appariement conjugué simple ne permettra pas réellement de transférer la puissance maximale à l'antenne TX dans la plupart des situations. C'est parce qu'il est courant de faire fonctionner un amplificateur de puissance très près de la saturation (près du point de compression de 1 dB). Dans cet état, la fonction de transfert de l'amplificateur de puissance commence à devenir non linéaire, comme montré ci-dessous.

Dans cet état, le transfert de puissance maximal se produira lorsqu'il y a un très léger désaccord d'impédance entre l'amplificateur de puissance et sa charge. C'est parce que la valeur de transfert de puissance maximale sera une fonction du niveau de puissance d'entrée, ce qui nécessite de résoudre une équation transcendante dans un problème d'optimisation pour déterminer l'appariement d'impédance optimal. Une technique de simulation appelée analyse de tirage de charge peut être utilisée pour déterminer le désaccord optimal qui fournit le transfert de puissance maximal.

Exemples d'amplificateurs de puissance

Les amplificateurs de puissance sont disponibles dans toutes les classes d'amplificateurs standard, et les composants sont disponibles dans de nombreuses gammes de fréquences allant de l'audio au micro-ondes.

Certaines des spécifications importantes utilisées pour sélectionner un amplificateur de puissance incluent :

Gain à la fréquence requise - La valeur de gain indiquée dans les spécifications de l'amplificateur sera valide pour une fréquence de fonctionnement spécifique ou une plage de fréquences.
Mécanisme de commande - Habituellement, une commande analogique est requise pour les fréquences plus élevées, tandis que les fréquences plus basses (par exemple, audio) peuvent fonctionner avec une commande PWM.
Produit gain-bande passante - La bande passante globale sera limitée à mesure que le gain dans l'amplificateur est augmenté. Assurez-vous que vous pouvez obtenir le gain et la bande passante dont vous avez besoin avec cette spécification.
Résistance thermique - Les amplificateurs de puissance peuvent devenir chauds, il est donc important de noter la résistance thermique pour obtenir une estimation approximative de la température de fonctionnement du composant.
Compression à 1 dB et points 3OIP - La première valeur vous indique quand l'amplificateur commence à saturer, tandis que la seconde vous indique quand les puissances des produits d'intermodulation d'ordre 3 sont égales à la puissance du signal principal. Cela limite la puissance d'entrée que vous pouvez utiliser dans l'amplificateur.

Le HMC455LP3 d'Analog Devices est un amplificateur de puissance de 2,5 GHz basé sur un transistor bipolaire à hétérojonction GaAs-InGaP. Cet amplificateur fournit un point 3OIP élevé (voir les courbes de fonction de transfert ci-dessous) avec environ 12 dB de gain pour une puissance d'entrée allant jusqu'à environ 15 dBm. Ce composant peut être utile dans les systèmes micro-ondes à basse fréquence fonctionnant de 1,7 GHz à 2,5 GHz.

Pour les systèmes audio, le TPA2012D2RTJR de Texas Instruments est un amplificateur audio de classe D offrant un gain sélectionnable avec jusqu'à 2,1 W de sortie de puissance dans la gamme audio. Le composant peut fournir une alimentation à des haut-parleurs de 4 Ohm ou 8 Ohm à 5 V ou 3,6 V avec un gain sélectionnable allant jusqu'à 24 dB. Ce composant est présenté dans un très petit boîtier BGA, le rendant approprié pour une utilisation dans des dispositifs mobiles, y compris les téléphones, les tablettes et les lecteurs multimédia portables.

Amplificateurs à Faible Bruit

Un amplificateur à faible bruit est destiné à amplifier la tension d'un signal entrant sans amplifier de manière significative le bruit accompagnant dans le système, augmentant ainsi la valeur SNR pour le signal. Ces composants doivent avoir un bruit inhérent très faible pour fournir de telles caractéristiques d'amplification. Ils doivent également être capables de rejeter suffisamment les sources de bruit dans leur bande passante de fonctionnement, nécessitant une PSRR élevée et un roll-off étroit dans leur courbe de fonction de transfert. Enfin, pour minimiser la distorsion lors de l'application d'un gain élevé, ces composants doivent avoir une haute linéarité pour prévenir la génération d'harmoniques et de produits d'intermodulation.

Afin de fournir un gain très élevé avec une amplification minimale du bruit, l'une des spécifications importantes est le facteur de bruit, ou plus spécifiquement le rapport gain-sur-facteur de bruit. Certaines applications de récepteurs très sensibles pourraient nécessiter que ces rapports varient de 20 à 30 (par exemple, un facteur de bruit de 1 dB avec un gain de 20 à 30 dB).

Exemple d'amplificateur à faible bruit

Un exemple très simple d'amplificateur à faible bruit (LNA) est le MBC13720NT1 de NXP Semiconductors. Ce composant LNA a une plage de fréquences de fonctionnement très large, allant de 400 MHz à 2,4 GHz. Ce composant peut fournir un courant contrôlé sélectionnable jusqu'à 11 mA avec un gain élevé atteignant 20 dB à 900 MHz. Le facteur de bruit est également faible, avec une valeur de rapport gain-sur-facteur de bruit d'environ 15. Ce type de composant serait utile sur le côté RX des modules émetteurs-récepteurs radio sub-GHz fonctionnant à haute puissance.

De quoi d'autre avez-vous besoin dans votre chaîne de signal

D'après le schéma ci-dessus, il devrait être clair qu'il y a de nombreux autres composants nécessaires pour construire une chaîne de signal complète pour les systèmes RF de puissance modérée à élevée. Pour les applications de niveau consommateur, ou lors de l'utilisation en Bluetooth WiFi, il existe des RF MCU SoCs très intégrés qui incluent l'ensemble du front-end intégré dans le composant. Il existe également des modules sans fil qui peuvent être sélectionnés pour ces systèmes, qui incluront l'ensemble du front-end du chip. D'autres bandes radio, qui n'ont pas le même niveau de pénétration sur le marché, manquent généralement de ces solutions intégrées, et les concepteurs devront adopter l'approche décrite ici.

Une application comme la radio logicielle, la radio amateur, ou l'opération dans une bande ISM nécessitera probablement de construire votre propre chaîne de signal entièrement à partir de composants discrets. Certains des composants dont vous aurez besoin dans cette application incluent un processeur numérique pour contrôler l'ensemble du système, ainsi que chacun des éléments RF mentionnés ci-dessus. Certains des composants dont vous avez besoin peuvent être trouvés dans les ressources suivantes :

Les concepteurs travaillant sur des systèmes RF utilisant des composants intégrés ou discrets peuvent accéder gratuitement aux données, aux insights et aux informations de sourcing en utilisant les fonctionnalités de recherche sur Octopart. Seul Octopart propose des fonctionnalités de recherche et de filtration avancées pour aider les acheteurs à trouver des composants et des données de prix de distributeurs à jour, l'inventaire des pièces et les spécifications des pièces. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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