LNA와 PA의 차이점은 무엇인가요?

작성 날짜: 일월 1, 2023
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

고주파 신호를 다루고 신호 체인에 대한 구성 요소를 선택하는 것은 충분히 도전적입니다. 증폭기는 신호가 목적지에 도달하기 위해 필요한 부스트를 제공하기 때문에 라디오 시스템의 신호 체인에서 중요한 부분입니다. 이러한 시스템에서는 주로 두 가지 유형의 증폭기가 등장하는데, 저잡음 증폭기(LNA)와 전력 증폭기(PA)입니다. 두 유형의 증폭기는 비슷한 기능을 수행하지만 신호 체인에서 다른 위치에서 작동합니다.

LNA 대 PA 구성 요소의 차이점은 증폭기 선택에 대해 더 근본적인 것을 보여줍니다: 부하로 전달되기 전에 구성 요소가 신호의 어떤 측면을 조작하는가입니다. 라디오 시스템에서 이러한 증폭기는 신호 방송 및 수신의 일부로 RF 전면부에 모두 나타나므로, 이러한 구성 요소는 신중하게 선택되어야 하며 올바른 신호 전력 범위 내에서 작동하여 최상의 결과를 제공해야 합니다. 이 글에서는 이 두 유형의 구성 요소 간의 차이점을 살펴보고 다양한 주파수 범위에서 작동하는 RF 시스템을 위한 고급 부품의 예를 제공할 것입니다.

RF 전면부의 증폭기

RF 전면부에서는 일반적으로 RX 및 TX 측면에서 각각 LNA와 PA가 사용됩니다. 이는 무선 통신이 필요한 많은 RF 시스템에서 일반적인 경우로, PA 및 LNA 섹션은 종종 애플리케이션 프로세서나 고도로 통합된 RF 트랜시버에 내장되어 있습니다. 유사한 사용 사례는 오디오에서 나타나는데, 여기서 전력 증폭기는 스피커를 구동하고 LNA는 근처 환경에서 미약한 목소리를 수집하기 위해 마이크로폰에 사용될 수 있습니다.

아래 이미지는 증폭기가 RF 전면부에서 일반적으로 나타나는 위치와 이러한 증폭기가 신호 체인의 TX 및 RX 측면에서 어떻게 구현되는지 보여줍니다. 이러한 유형의 TX/RX 아키텍처는 통합 트랜시버 블록이 있는 칩뿐만 아니라 더 높은 전력에서 동작하는 별도의 구성 요소를 사용하는 시스템에서 일반적입니다. 출력에 있는 스위치는 선택 사항이며 TX와 RX를 다른 시간 창으로 분리하기 위해 단일 안테나로 시간 분할 다중화(TDD)를 구현하는 데 사용됩니다. 그러나 이것은 필수가 아니며 RX/TX 라인은 직접 자체 안테나에 연결될 수 있습니다.

RX 측면에서, LNA 입력은 수신된 변조 신호에서 데이터를 추출하기 위해 직접 복조기/다운 컨버터에 공급됩니다. LNA는 RX 안테나가 수신하는 입력만 처리하며 수신기의 임계 감도를 초과하도록 신호에 적용된 소량의 이득만을 제공하는 것을 목적으로 합니다. 이는 RX 신호 체인에 적용된 소량의 이득만으로 수신 범위를 효과적으로 확장합니다.

TX 측면에서, 전력 증폭기는 변조/업-변환 단계에서 출력을 가져와 최대 전력을 부하에 전달하기 위해 증폭합니다. 안테나에 직접 연결된 경우, 안테나나 시스템의 다른 구성 요소에 주어진 전력은 반응성 임피던스에 맞춰야 할 수 있습니다. 이는 아래에서 설명된 대로 최대 전력 전송을 달성하기 위해 비선형 구성 요소와 공액 임피던스 매칭이 필요할 것입니다.

이러한 점들을 염두에 두고, 각 유형의 증폭기를 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

전력 증폭기

전력 증폭기의 목적은 매우 간단합니다: 최소한의 신호 왜곡으로 부하에 최대 전력을 전달하는 것입니다. 신호 수준 측면에서 전력 증폭기는 신호 체인의 대역폭 내에서 노이즈 바닥에 비해 전력 대비 신호 대 잡음비를 최대화해야 합니다. 이것은 상당히 간단하고 증폭기의 명백한 기능처럼 들릴 수 있지만, 다른 유형의 증폭기에 대한 기사에서 논의했듯이, 다른 증폭기는 다른 신호 입력을 다루고 신호 체인에서 다양한 유형의 부하를 수용하려고 시도합니다.

부하에 최대 전력을 전달하기 위해서는 신호 체인에서 공액 임피던스 매칭이 필요합니다. MHz에서 GHz 범위에서 작동하는 전력 증폭기는 50 옴 출력 임피던스로 작동할 수 있으므로, 안테나를 실제 임피던스 매칭을 제공하기 위해 50 옴 임피던스로 설계할 수 있습니다. 안테나 임피던스가 반응성인 경우, 수동 부품을 사용한 임피던스 매칭 네트워크가 필요하거나, 연속된 임피던스 변환기가 필요합니다. 후자는 MHz 주파수에서 작업할 때 물리적으로 큰 시스템에서만 실현 가능하지만, 고 GHz 주파수에서는 보드를 너무 크게 만들지 않고도 수행할 수 있습니다.

임피던스 매칭에 대한 또 다른 중요한 점은 단순한 공액 매칭이 대부분의 상황에서 TX 안테나에 최대 전력 전달을 실제로 제공하지 않는다는 것입니다. 이는 전력 증폭기를 포화 상태에 매우 가깝게(1 dB 압축 지점 근처) 운영하는 것이 일반적이기 때문입니다. 이 상태에서 전력 증폭기의 전달 함수는 아래와 같이 비선형이 되기 시작합니다.

이 상태에서, 전력 증폭기와 그 부하 사이에 매우 약간의 임피던스 불일치가 남아 있을 때 최대 전력 전달이 발생합니다. 이는 최대 전력 전달 값이 입력 전력 수준의 함수이며, 최적의 임피던스 매칭을 결정하기 위해 최적화 문제에서 초월 방정식을 풀어야 하기 때문입니다. 로드-풀 분석이라는 시뮬레이션 기법을 사용하여 최대 전력 전달을 제공하는 최적의 불일치를 결정할 수 있습니다.

전력 증폭기 예시

전력 증폭기는 표준 증폭기 클래스의 어느 것에서나 사용할 수 있으며, 오디오부터 마이크로파에 이르기까지 다양한 주파수 범위의 구성 요소가 있습니다.

전력 증폭기를 선택하는 데 사용되는 중요한 사양에는 다음이 포함됩니다:

필요한 주파수에서의 이득 - 증폭기 사양에 제공된 이득 값은 특정 작동 주파수 또는 주파수 범위에 대해 유효합니다.
구동 메커니즘 - 일반적으로 높은 주파수에는 아날로그 구동이 필요하며, 낮은 주파수(예: 오디오)는 PWM 구동으로 작동할 수 있습니다.
이득-대역폭 곱 - 증폭기의 이득을 높일수록 전체 대역폭이 제한됩니다. 이 사양을 통해 필요한 이득과 대역폭을 얻을 수 있는지 확인하세요.
열 저항 - 전력 증폭기는 뜨거워질 수 있으므로 구성 요소의 작동 온도를 대략적으로 추정하기 위해 열 저항을 확인하는 것이 중요합니다.
1 dB 압축 및 3OIP 포인트 - 전자는 증폭기가 포화 상태로 시작되는 시점을 알려주고, 후자는 3차 상호변조 생성물의 전력이 주 신호 전력과 같아지는 시점을 알려줍니다. 이는 증폭기에서 사용할 수 있는 입력 전력을 제한합니다.

Analog Devices의 HMC455LP3은 GaAs-InGaP 이종 접합 바이폴라 트랜지스터를 기반으로 하는 2.5 GHz 전력 증폭기입니다. 이 증폭기는 약 12 dB의 이득을 제공하며 약 15 dBm의 입력 전력까지 사용할 수 있습니다. 이 구성 요소는 1.7 GHz에서 2.5 GHz까지 작동하는 저주파 마이크로파 시스템에 유용할 수 있습니다.

오디오 시스템의 경우, Texas Instruments의 TPA2012D2RTJR은 선택 가능한 이득으로 최대 2.1 W의 출력 전력을 오디오 범위에서 제공하는 Class D 오디오 증폭기입니다. 이 구성 요소는 5V 또는 3.6V에서 4옴 또는 8옴 스피커에 전력을 공급할 수 있으며 최대 24 dB의 선택 가능한 이득을 제공합니다. 이 구성 요소는 매우 작은 BGA 패키지로 제공되어 휴대폰, 태블릿, 휴대용 미디어 플레이어를 포함한 모바일 기기에서 사용하기에 적합합니다.

저잡음 증폭기

저잡음 증폭기는 시스템 내의 동반 잡음을 크게 증폭하지 않으면서 들어오는 신호의 전압을 증폭하려는 것을 목적으로 합니다. 따라서 신호에 대한 SNR 값을 증가시킵니다. 이러한 구성 요소는 매우 낮은 고유 잡음을 가져야 하며, 작동 대역폭 내의 잡음 소스를 충분히 거부할 수 있어야 하므로 높은 PSRR과 전달 함수 곡선에서 좁은 롤오프가 필요합니다. 마지막으로, 높은 이득을 적용할 때 왜곡을 최소화하기 위해, 이러한 구성 요소는 고조파 및 상호변조 생성물의 생성을 방지하기 위해 높은 선형성을 가져야 합니다.

최소한의 잡음 증폭으로 매우 높은 이득을 제공하기 위해 중요한 사양 중 하나는 잡음 지수이며, 더 구체적으로는 이득 대 잡음 지수 비율입니다. 일부 매우 민감한 수신기 응용 프로그램은 이 비율이 20에서 30(예: 1 dB 잡음 지수로 20에서 30 dB 이득)의 범위를 요구할 수 있습니다.

저잡음 증폭기 예

저잡음 증폭기(LNA)의 매우 간단한 예는 NXP Semiconductors의 MBC13720NT1입니다. 이 LNA 구성 요소는 400 MHz에서 2.4 GHz에 이르는 매우 넓은 작동 주파수 범위를 가지고 있습니다. 이 구성 요소는 900 MHz에서 20 dB에 이르는 높은 이득을 제공할 수 있으며, 최대 11 mA까지 선택 가능한 제어 전류를 제공할 수 있습니다. 잡음 지수도 낮으며, 이득 대 잡음 지수 값은 약 15입니다. 이러한 유형의 구성 요소는 고전력에서 작동하는 sub-GHz 무선 송수신기 모듈의 RX 측면에서 유용할 것입니다.

신호 체인에 필요한 다른 것은 무엇인가요?

위에 표시된 다이어그램에서 볼 수 있듯이, 중간에서 고전력 RF 시스템을 위한 완전한 신호 체인을 구축하기 위해 필요한 많은 다른 구성 요소들이 있습니다. 소비자 수준의 응용 프로그램에서 또는 Bluetooth WiFi에서 작동할 때, 전체 프론트 엔드를 구성 요소에 내장한 RF MCU SoCs와 같은 매우 통합된 솔루션이 있습니다. 또한 이러한 시스템을 위해 선택할 수 있는 무선 모듈이 있으며, 이는 칩의 전체 프론트 엔드를 포함할 것입니다. 같은 수준의 시장 침투를 가지고 있지 않은 다른 라디오 대역은 일반적으로 이러한 통합 솔루션을 부족하며, 디자이너는 여기에 개요된 접근 방식을 취해야 할 것입니다.

소프트웨어 정의 라디오, 아마추어 라디오 또는 ISM 대역에서의 작업과 같은 응용 프로그램은 전체 신호 체인을 전적으로 별도의 구성 요소에서 구축해야 할 가능성이 높습니다. 이 응용 프로그램에서 필요한 구성 요소 중 일부는 전체 시스템을 제어하는 디지털 프로세서뿐만 아니라 위에 나열된 각 RF 요소를 포함합니다. 필요한 구성 요소 중 일부는 다음 자원에서 찾을 수 있습니다:

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