LNAとPAの違いは何ですか？

投稿日一月 1, 2023
更新日七月 1, 2024

高周波信号の取り扱いや信号チェーン用のコンポーネントの選択は十分に難しい作業です。アンプは、信号が目的地に到達するために必要なブーストを提供するため、無線システムの信号チェーンにおいて重要な部分です。これらのシステムでは、主に2種類のアンプが登場する傾向があります：低雑音アンプ（LNA）とパワーアンプ（PA）です。これら2種類のアンプは似たような機能を果たしますが、信号チェーンの異なる場所で活躍します。 LNAとPAのコンポーネントの違いは、アンプ選択についてもっと基本的なことを示しています：負荷に配信される前にコンポーネントによってどの信号の側面が操作されているかです。無線システムでは、これらのアンプは信号の放送と受信の一部としてRFフロントエンドに両方とも登場するため、これらのコンポーネントは慎重に選ばれ、正しい信号電力範囲内で動作するべきで、最良の結果を提供します。この記事では、これら2種類のコンポーネントの違いを検討し、多くの周波数範囲で動作するRFシステムのための高度な部品の例をいくつか提供します。

RFフロントエンドのアンプ

RFフロントエンドでは、一般的にLNAとPAはそれぞれRXとTX側で使用されます。これは、無線通信を必要とする多くのRFシステムで一般的なケースです。PAとLNAのセクションは、しばしばアプリケーションプロセッサーや高度に統合されたRFトランシーバーに組み込まれています。オーディオでは、パワーアンプがスピーカーを駆動し、LNAが近くの環境から微弱な声を集めるためにマイクロフォンで使用されるような類似の使用例があります。下の画像は、アンプがRFフロントエンドで一般的にどこに現れるか、およびこれらのアンプが信号チェーンのTXおよびRX側でどのように実装されているかを示しています。このタイプのTX/RXアーキテクチャは、統合トランシーバーブロックを持つチップや、より高い電力で動作する離散コンポーネントを使用するシステムで典型的です。出力のスイッチはオプションで、TXとRXを異なる時間窓に分けるために単一のアンテナで時分割多重（TDD）を実装するために使用されます。しかし、これは必須ではなく、RX/TXラインは直接それぞれのアンテナに接続できます。 RX側では、LNA入力は直接デモジュレーター/ダウンコンバーターに供給され、受信した変調信号からデータを抽出します。LNAはRXアンテナによって受信された入力のみを扱い、信号が受信機の閾値感度を超えることを保証するためにちょうど十分な利得を提供することを意味します。これはRX信号チェーンにわずかな利得を適用するだけで受信範囲を効果的に拡張します。 TX側では、パワーアンプは変調/アップコンバージョンステージからの出力を取り、最大電力を負荷に供給するために増幅します。アンテナへの直接接続の場合、アンテナやシステム内の他のコンポーネントに与えられる電力は、反応性インピーダンスにマッチングする必要があるかもしれません。これは、以下で説明されるように、最大電力伝達を達成するために非線形コンポーネントとの共役インピーダンスマッチングを必要とします。これらの点を念頭に置いて、それぞれのタイプのアンプをもっと詳しく見ていきましょう。

パワーアンプ

パワーアンプの目的は非常にシンプルです：最大限のパワーを最小限の信号歪みで負荷に供給することです。信号レベルの観点から、パワーアンプは信号チェーンの帯域幅内でノイズフロアに比べてパワーに関して信号対雑音比を最大化するべきです。これは非常にシンプルで明白なアンプの機能と聞こえるかもしれませんが、他のタイプのアンプについての記事で議論したように、異なるアンプは異なる信号入力を扱い、信号チェーン内の異なるタイプの負荷に対応しようとします。

負荷に最大限のパワーを供給するためには、信号チェーン内で共役インピーダンスマッチングが必要です。MHzからGHz範囲で動作するパワーアンプは、50オームの出力インピーダンスで動作することができるので、アンテナは実インピーダンスマッチングを提供するために50オームのインピーダンスに設計することができます。アンテナのインピーダンスがリアクティブな場合、受動部品を使用したインピーダンスマッチングネットワークが必要になるか、カスケードインピーダンストランスフォーマーが必要になります。後者は、MHz周波数で動作する場合に物理的に大きなシステムでのみ実現可能ですが、高GHz周波数ではボードを大きくすることなくこれを行うことができます。

インピーダンスマッチングについてのもう一つの重要な点は、単純な共役マッチングは実際にはほとんどの状況でTXアンテナに最大パワー伝達を実現しないということです。これは、パワーアンプを飽和点（1 dB圧縮点付近）に非常に近い状態で動作させることが一般的だからです。この状態では、パワーアンプの伝達関数が非線形になり始めます、下記のように。

この状態では、パワーアンプとその負荷の間に非常にわずかなインピーダンスの不一致が残っている場合に最大パワー伝達が発生します。これは、最大パワー伝達値が入力パワーレベルの関数であり、最適なインピーダンスマッチングを決定するための最適化問題で超越方程式を解く必要があるためです。ロードプル分析と呼ばれるシミュレーション技術を使用して、最大パワー伝達を提供する最適な不一致を決定することができます。

パワーアンプの例

パワーアンプは、標準アンプクラスのいずれかで利用可能であり、コンポーネントはオーディオからマイクロ波にわたる多くの周波数範囲で利用可能です。

パワーアンプを選択するために使用される重要な仕様には以下が含まれます：

必要な周波数でのゲイン - アンプの仕様に記載されているゲイン値は、特定の動作周波数または周波数範囲で有効です。
駆動機構 - 通常、高周波数ではアナログ駆動が必要ですが、低周波数（例えば、オーディオ）ではPWM駆動で動作可能です。
ゲイン帯域幅積 - アンプのゲインを高くすると全体の帯域幅が制限されます。この仕様で必要なゲインと帯域幅を得られるか確認してください。
熱抵抗 - パワーアンプは熱くなることがあるので、コンポーネントの動作温度を大まかに見積もるために熱抵抗を確認することが重要です。
1 dB 圧縮点と3次相互変調歪点 - 前者の値はアンプが飽和し始める時を示し、後者は3次相互変調生成物のパワーが主信号のパワーと等しくなる時を示します。これにより、アンプで使用できる入力パワーが制限されます。

Analog DevicesのHMC455LP3は、GaAs-InGaPヘテロ接合バイポーラトランジスタに基づく2.5 GHzパワーアンプです。このアンプは、約12 dBのゲインで最大約15 dBmの入力パワーまで、高い3次相互変調歪点（以下の伝達関数曲線を参照）を提供します。このコンポーネントは、1.7 GHzから2.5 GHzまでの低周波マイクロ波システムで役立ちます。

オーディオシステムの場合、Texas InstrumentsのTPA2012D2RTJRは、選択可能なゲインでオーディオ範囲で最大2.1 Wの出力パワーを提供するクラスDオーディオアンプです。このコンポーネントは、5 Vまたは3.6 Vで4オームまたは8オームのスピーカーに電力を供給し、最大24 dBのゲインを選択可能です。このコンポーネントは非常に小さいBGAパッケージで提供され、携帯電話、タブレット、ポータブルメディアプレーヤーを含むモバイルデバイスでの使用に適しています。

低ノイズアンプ

低ノイズアンプは、システム内のノイズを大幅に増幅することなく、入力信号の電圧を増幅することを目的としています。これにより、信号のSNR値が向上します。これらのコンポーネントは、そのような増幅特性を提供するために非常に低い固有ノイズを持たなければなりません。また、動作帯域内のノイズ源を十分に拒否できるように、高いPSRRと伝達関数曲線の狭いロールオフが必要です。最後に、高ゲインを適用しても歪みを最小限に抑えるために、これらのコンポーネントは高い線形性を持っていなければならず、高調波や相互変調生成物の生成を防ぐ必要があります。

非常に高い利得を最小限のノイズ増幅で提供するために、重要な仕様の一つがノイズ指数、またはより具体的には利得対ノイズ指数の比率です。非常に敏感な受信アプリケーションでは、これらの比率が20から30の範囲であることが求められることがあります（例えば、1 dBのノイズ指数で20から30 dBの利得）。

低ノイズアンプの例

非常にシンプルなLNAの例として、NXP SemiconductorsのMBC13720NT1があります。このLNAコンポーネントは、400 MHzから2.4 GHzにわたる非常に広い動作周波数範囲を持っています。このコンポーネントは、900 MHzで20 dBに達する高い利得を提供でき、選択可能な制御電流を最大11 mAまで提供できます。ノイズ指数も低く、利得対ノイズ指数の値は約15です。このタイプのコンポーネントは、高出力で動作するサブGHz無線トランシーバーモジュールのRX側に有用です。

信号チェーンに何が必要か

上記の図から、中から高出力のRFシステムの完全な信号チェーンを構築するために必要な多くの他のコンポーネントがあることがわかります。消費者レベルのアプリケーションや、Bluetooth WiFiで動作する場合、コンポーネントにフロントエンド全体が組み込まれた高度に統合されたRF MCU SoCsがあります。これらのシステムに選択できるワイヤレスモジュールもあり、チップのフロントエンド全体を含んでいます。同じレベルの市場浸透を持たない他の無線帯域は、これらの統合ソリューションを一般的に欠いており、設計者はここで概説されたアプローチを取る必要があります。

ソフトウェア定義ラジオ、アマチュア無線、またはISMバンドでの運用のようなアプリケーションでは、離散コンポーネントから完全に独自の信号チェーンを構築する必要があるでしょう。このアプリケーションで必要とされるコンポーネントには、デジタルプロセッサー（全システムを制御するため）や上記に挙げたRF要素の各々が含まれます。必要なコンポーネントの一部は、以下のリソースで見つけることができます：

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