Qual è la differenza tra un LNA e un PA?

Creato: gennaio 1, 2023
Aggiornato: luglio 1, 2024

Lavorare con segnali ad alta frequenza e selezionare componenti per una catena di segnale è abbastanza impegnativo. Gli amplificatori sono una parte importante di una catena di segnale per i sistemi radio in quanto forniscono l'incremento di cui un segnale ha bisogno per raggiungere la sua destinazione. In questi sistemi, tendono a comparire due tipi di amplificatori: un amplificatore a basso rumore (LNA) e un amplificatore di potenza (PA). Entrambi i tipi di amplificatori svolgono una funzione simile, ma in punti diversi della catena di segnale. Le differenze tra i componenti LNA e PA illustrano qualcosa di più fondamentale sulla selezione degli amplificatori: quale aspetto del segnale viene manipolato dal componente prima della consegna a un carico. Nei sistemi radio, questi amplificatori appariranno entrambi nel front-end RF come parte della trasmissione e ricezione del segnale, quindi questi componenti devono essere scelti con attenzione e dovrebbero operare all'interno del corretto intervallo di potenza del segnale per fornire i migliori risultati. In questo articolo, esaminerò le differenze tra questi due tipi di componenti e fornirò alcuni esempi di parti avanzate per sistemi RF che operano in molteplici intervalli di frequenza.

Amplificatori in un Front-End RF

Nel front-end RF, un LNA e un PA sono tipicamente utilizzati rispettivamente sui lati RX e TX. Questo è generalmente il caso in molti sistemi RF che richiedono comunicazione wireless; le sezioni PA e LNA sono spesso integrate nei processori di applicazione o nei trasmettitori RF altamente integrati. Un caso d'uso simile appare nell'audio, dove l'amplificatore di potenza guida un altoparlante e un LNA potrebbe essere utilizzato su un microfono per raccogliere voci deboli dall'ambiente circostante. L'immagine qui sotto mostra dove gli amplificatori appaiono tipicamente in un front-end RF e come questi amplificatori sono implementati nei lati TX e RX della catena di segnale. Questo tipo di architettura TX/RX è tipico nei chip che hanno un blocco trasmettitore integrato, così come nei sistemi che utilizzano componenti discreti che operano a potenza superiore. L'interruttore in uscita è opzionale ed è utilizzato per implementare la multiplexazione a divisione di tempo (TDD) con un'antenna singola in modo che TX e RX siano separati in diverse finestre temporali. Tuttavia, questo non è richiesto e le linee RX/TX possono essere collegate direttamente alle proprie antenne.

Sul lato RX, l'ingresso LNA è collegato direttamente a un demodulatore/convertitore abbassatore per estrarre i dati da un segnale modulato ricevuto. L'LNA gestisce solo l'ingresso ricevuto dall'antenna RX ed è destinato a fornire solo abbastanza guadagno per garantire che il segnale superi la sensibilità di soglia del ricevitore. Questo estende efficacemente il raggio di ricezione con solo una piccola quantità di guadagno applicata sulla catena di segnale RX. Sul lato TX, l'amplificatore di potenza prende l'uscita dalla fase di modulazione/up-conversione e la amplifica per fornire la massima potenza al carico. Nel caso di connessioni dirette a un'antenna, la potenza data alle antenne o ad altri componenti nel sistema potrebbe richiedere un adattamento a un'impedenza reattiva. Ciò richiederà un adattamento di impedenza coniugato con un componente non lineare per raggiungere il massimo trasferimento di potenza come descritto di seguito. Con questi punti in mente, diamo un'occhiata più da vicino a ciascun tipo di amplificatore.

Amplificatori di Potenza

Lo scopo di un amplificatore di potenza è molto semplice: fornire la massima potenza a un carico con la minima distorsione del segnale. In termini di livello di segnale, l'amplificatore di potenza dovrebbe massimizzare il rapporto segnale/rumore in termini di potenza rispetto al piano di rumore all'interno della larghezza di banda della catena del segnale. Questo dovrebbe sembrare piuttosto semplice e una funzione ovvia di un amplificatore, ma come ho discusso in articoli su altri tipi di amplificatori, diversi amplificatori coinvolgono diversi ingressi di segnale e cercheranno di adattarsi a diversi tipi di carichi nella catena del segnale.

Per fornire la massima potenza a un carico, è necessario un adattamento di impedenza coniugato nella catena del segnale. Gli amplificatori di potenza che operano nell'intervallo MHz a GHz per i sistemi radio possono operare con un'impedenza di uscita di 50 Ohm, quindi l'antenna potrebbe essere progettata con un'impedenza di 50 Ohm per fornire un vero adattamento di impedenza. Nel caso in cui l'impedenza dell'antenna sia reattiva, è necessaria una rete di adattamento dell'impedenza con componenti passivi, o è necessario un trasformatore di impedenza in cascata. Quest'ultimo è fattibile solo in sistemi fisicamente grandi quando si lavora a frequenze MHz, ma ciò può essere fatto ad alte frequenze GHz senza ingrandire eccessivamente la scheda.

L'altro punto importante riguardo l'adattamento di impedenza è che un semplice adattamento coniugato non consegnerà effettivamente il massimo trasferimento di potenza all'antenna TX nella maggior parte delle situazioni. Questo perché è comune far funzionare un amplificatore di potenza molto vicino alla saturazione (vicino al punto di compressione di 1 dB). In questo stato, la funzione di trasferimento dell'amplificatore di potenza inizia a diventare non lineare, come mostrato di seguito.

In questo stato, il massimo trasferimento di potenza si verificherà quando c'è una leggera disadattamento di impedenza tra l'amplificatore di potenza e il suo carico. Questo perché il valore del massimo trasferimento di potenza sarà una funzione del livello di potenza in ingresso, che richiede la risoluzione di un'equazione trascendentale in un problema di ottimizzazione per determinare l'adattamento di impedenza ottimale. Una tecnica di simulazione chiamata analisi del tiraggio del carico può essere utilizzata per determinare il disadattamento ottimale che fornisce il massimo trasferimento di potenza.

Esempi di Amplificatori di Potenza

Gli amplificatori di potenza sono disponibili in qualsiasi delle classi di amplificatori standard, e i componenti sono disponibili in molte gamme di frequenze che vanno dall'audio alle microonde.

Alcune delle specifiche importanti utilizzate per selezionare un amplificatore di potenza includono:

Guadagno alla frequenza richiesta - Il valore di guadagno fornito nelle specifiche dell'amplificatore sarà valido per una specifica frequenza di funzionamento o intervallo di frequenze.
Mecanismo di pilotaggio - Di solito è richiesto un pilotaggio analogico per frequenze più alte, mentre frequenze più basse (ad es., audio) possono funzionare con pilotaggio PWM.
Prodotto guadagno-larghezza di banda - La larghezza di banda complessiva sarà limitata man mano che il guadagno nell'amplificatore aumenta. Assicurati di poter ottenere il guadagno e la larghezza di banda di cui hai bisogno con questa specifica.
Resistenza termica - Gli amplificatori di potenza possono scaldarsi, quindi è importante notare la resistenza termica per ottenere una stima approssimativa della temperatura di funzionamento del componente.
Compressione a 1 dB e punti 3OIP - Il primo valore ti indica quando l'amplificatore inizia a saturare, mentre il secondo ti indica quando le potenze dei prodotti di intermodulazione di terzo ordine sono uguali alla potenza del segnale principale. Questo limita la potenza di ingresso che puoi utilizzare nell'amplificatore.

Il HMC455LP3 di Analog Devices è un amplificatore di potenza a 2,5 GHz basato su un transistor bipolare eterogiunzione GaAs-InGaP. Questo amplificatore fornisce un alto punto 3OIP (vedi le curve di trasferimento di seguito) con circa 12 dB di guadagno fino a circa 15 dBm di potenza di ingresso. Questo componente può essere utile in sistemi a microonde a bassa frequenza che operano da 1,7 GHz a 2,5 GHz.

Per i sistemi audio, il TPA2012D2RTJR di Texas Instruments è un amplificatore audio di Classe D che offre un guadagno selezionabile con fino a 2,1 W di uscita di potenza nella gamma audio. Il componente può fornire alimentazione a altoparlanti da 4 Ohm o 8 Ohm a 5 V o 3,6 V con un guadagno selezionabile fino a 24 dB. Questo componente è disponibile in un pacchetto BGA molto piccolo rendendolo adatto per l'uso in dispositivi mobili, inclusi telefoni, tablet e lettori multimediali portatili.

Amplificatori a Basso Rumore

Un amplificatore a basso rumore è destinato ad amplificare la tensione di un segnale in arrivo senza amplificare significativamente il rumore accompagnatorio nel sistema, aumentando così il valore SNR per il segnale. Questi componenti devono avere un rumore intrinseco molto basso per fornire tali caratteristiche di amplificazione. Devono anche essere in grado di respingere sufficientemente le fonti di rumore all'interno della loro larghezza di banda operativa, richiedendo un alto PSRR e un roll-off stretto nella loro curva di trasferimento. Infine, per minimizzare la distorsione quando si applica un alto guadagno, questi componenti devono avere un'alta linearità per prevenire la generazione di armoniche e prodotti di intermodulazione.

Per fornire un guadagno molto alto con una minima amplificazione del rumore, una delle specifiche importanti è la figura di rumore, o più specificamente il rapporto guadagno-figura di rumore. Alcune applicazioni di ricevitori molto sensibili potrebbero richiedere che questi rapporti varino da 20 a 30 (ad esempio, una figura di rumore di 1 dB con un guadagno da 20 a 30 dB).

Esempio di Amplificatore a Basso Rumore

Un esempio molto semplice di LNA è il MBC13720NT1 di NXP Semiconductors. Questo componente LNA ha una gamma di frequenze operative molto ampia, che va da 400 MHz a 2,4 GHz. Questo componente può fornire una corrente controllata selezionabile fino a 11 mA con un alto guadagno che raggiunge i 20 dB a 900 MHz. Anche la figura di rumore è bassa, con un valore di guadagno-figura di rumore di circa 15. Questo tipo di componente sarebbe utile sul lato RX dei moduli trasceiver radio sub-GHz che operano ad alta potenza.

Cosa Altro È Necessario Nella Tua Catena di Segnale

Dal diagramma mostrato sopra, dovrebbe essere chiaro che sono necessari molti altri componenti per costruire una catena di segnale completa per sistemi RF da moderati ad alta potenza. Per applicazioni a livello di consumatore, o quando si opera in Bluetooth WiFi, ci sono alcuni RF MCU SoCs altamente integrati che includono l'intero front end integrato nel componente. Ci sono anche moduli wireless che possono essere selezionati per questi sistemi, che includeranno l'intero front end del chip. Altre bande radio, che non hanno lo stesso livello di penetrazione di mercato, generalmente mancano di queste soluzioni integrate, e i progettisti dovranno adottare l'approccio qui descritto.

Un'applicazione come la radio definita dal software, la radio amatoriale, o l'operazione in una banda ISM richiederà probabilmente di costruire la propria catena di segnale interamente da componenti discreti. Alcuni dei componenti di cui avrai bisogno in questa applicazione includono un processore digitale per controllare l'intero sistema, così come ciascuno degli elementi RF elencati sopra. Alcuni dei componenti di cui hai bisogno possono essere trovati nelle seguenti risorse:

I progettisti che lavorano su sistemi RF utilizzando componenti integrati o discreti possono accedere ai dati, alle intuizioni e alle informazioni di approvvigionamento gratuitamente utilizzando le funzionalità di ricerca in Octopart. Solo Octopart offre funzionalità avanzate di ricerca e filtraggio per aiutare gli acquirenti a trovare componenti e dati aggiornati sui prezzi dei distributori, inventario dei pezzi e specifiche dei pezzi. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati per trovare i componenti di cui hai bisogno.

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