Jaka jest różnica między LNA a PA?

Praca z sygnałami o wysokiej częstotliwości i dobór komponentów do łańcucha sygnałowego jest wystarczająco trudna. Wzmacniacze są ważną częścią łańcucha sygnałowego w systemach radiowych, ponieważ dostarczają sygnałowi wzmocnienia, którego potrzebuje, aby dotrzeć do miejsca przeznaczenia. W tych systemach zazwyczaj pojawiają się dwa typy wzmacniaczy: wzmacniacz o niskim poziomie szumów (LNA) i wzmacniacz mocy (PA). Oba typy wzmacniaczy pełnią podobną funkcję, ale w różnych miejscach łańcucha sygnałowego. Różnice między komponentami LNA a PA ilustrują coś bardziej fundamentalnego o doborze wzmacniaczy: jaki aspekt sygnału jest manipulowany przez komponent przed dostarczeniem do obciążenia. W systemach radiowych, oba te wzmacniacze pojawią się na froncie RF jako część nadawania i odbioru sygnałów, więc te komponenty muszą być starannie dobrane i powinny działać w odpowiednim zakresie mocy sygnału, aby zapewnić najlepsze wyniki. W tym artykule przyjrzę się różnicom między tymi dwoma typami komponentów i przedstawię przykłady zaawansowanych części dla systemów RF działających w wielu zakresach częstotliwości.

Wzmacniacze w froncie RF

W froncie RF, LNA i PA są zwykle używane po stronie RX i TX odpowiednio. Jest to ogólnie przypadek w wielu systemach RF wymagających komunikacji bezprzewodowej; sekcje PA i LNA często są wbudowane w procesory aplikacji lub wysoko zintegrowane transceivery RF. Podobny przypadek użycia pojawia się w audio, gdzie wzmacniacz mocy napędza głośnik, a LNA może być używany na mikrofonie do zbierania cichych głosów z bliskiego otoczenia. Poniższy obraz pokazuje, gdzie wzmacniacze zwykle pojawiają się w froncie RF i jak te wzmacniacze są implementowane po stronach TX i RX łańcucha sygnałowego. Tego typu architektura TX/RX jest typowa w układach, które mają zintegrowany blok transceivera, jak również w systemach używających dyskretnych komponentów pracujących przy wyższej mocy. Przełącznik na wyjściu jest opcjonalny i jest używany do implementacji multipleksowania z podziałem czasu (TDD) z pojedynczą anteną, tak aby TX i RX były oddzielone w różnych oknach czasowych. Jednakże, nie jest to wymagane i linie RX/TX mogą być bezpośrednio połączone z własnymi antenami. Na stronie RX, wejście LNA jest podawane bezpośrednio do demodulatora/konwertera w dół, aby wyodrębnić dane z odbieranego sygnału modulowanego. LNA obsługuje tylko wejście odbierane przez antenę RX i ma na celu zapewnienie wystarczającego wzmocnienia, aby sygnał przekroczył próg czułości odbiornika. Skutecznie rozszerza to zasięg odbioru przy tylko niewielkim wzmocnieniu stosowanym w łańcuchu sygnałowym RX. Po stronie TX, wzmacniacz mocy bierze wyjście ze stopnia modulacji/konwersji w górę i wzmacnia je, aby dostarczyć maksymalną moc do obciążenia. W przypadku bezpośrednich połączeń z anteną, moc dostarczana antenom lub innym komponentom w systemie może wymagać dopasowania do reaktywnej impedancji. Wymaga to dopasowania impedancji sprzężonej z nieliniowym komponentem, aby osiągnąć maksymalny transfer mocy, jak opisano poniżej. Mając te punkty na uwadze, przyjrzyjmy się bliżej każdemu typowi wzmacniacza.

Wzmacniacze mocy

Celem wzmacniacza mocy jest bardzo prosty: dostarczyć maksymalną moc do obciążenia przy minimalnym zniekształceniu sygnału. Pod względem poziomu sygnału, wzmacniacz mocy powinien maksymalizować stosunek sygnału do szumu w odniesieniu do mocy w porównaniu z poziomem szumów w pasmie przepustowym łańcucha sygnałowego. To powinno brzmieć dość prosto i być oczywistą funkcją wzmacniacza, ale jak omówiłem w artykułach na temat innych typów wzmacniaczy, różne wzmacniacze obejmują różne sygnały wejściowe i będą próbować dostosować się do różnych typów obciążeń w łańcuchu sygnałowym.

Aby dostarczyć maksymalną moc do obciążenia, potrzebne jest dopasowanie impedancji sprzężonej w łańcuchu sygnałowym. Wzmacniacze mocy pracujące w zakresie MHz do GHz dla systemów radiowych mogą działać z impedancją wyjściową 50 Ohm, więc antena może być zaprojektowana z impedancją 50 Ohm, aby zapewnić rzeczywiste dopasowanie impedancji. W przypadku, gdy impedancja anteny jest reaktywna, potrzebna jest sieć dopasowania impedancji z elementami biernymi, lub potrzebny jest kaskadowy transformator impedancji. Ten ostatni jest wykonalny tylko w fizycznie dużych systemach przy pracy na częstotliwościach MHz, ale można to zrobić na wysokich częstotliwościach GHz bez powiększania płytki.

Inny ważny punkt dotyczący dopasowania impedancji to fakt, że proste dopasowanie sprzężone nie zapewni faktycznie maksymalnego transferu mocy do anteny TX w większości sytuacji. Wynika to z faktu, że często wzmacniacz mocy pracuje bardzo blisko nasycenia (blisko punktu kompresji 1 dB). W tym stanie funkcja transferu wzmacniacza mocy zaczyna stawać się nieliniowa, jak pokazano poniżej.

W tym stanie maksymalny transfer mocy nastąpi, gdy między wzmacniaczem mocy a jego obciążeniem pozostanie bardzo niewielkie niedopasowanie impedancji. Wynika to z faktu, że wartość maksymalnego transferu mocy będzie funkcją poziomu mocy wejściowej, co wymaga rozwiązania równania transcendentalnego w problemie optymalizacyjnym, aby określić optymalne dopasowanie impedancji. Technika symulacji zwana analizą obciążenia może być użyta do określenia optymalnego niedopasowania, które zapewnia maksymalny transfer mocy.

Przykładowe wzmacniacze mocy

Wzmacniacze mocy są dostępne w dowolnej z standardowych klas wzmacniaczy, a komponenty są dostępne w wielu zakresach częstotliwości, od dźwięku po mikrofale. 

Niektóre z ważnych specyfikacji używanych do wyboru wzmacniacza mocy obejmują:

• Wzmocnienie przy wymaganej częstotliwości - Wartość wzmocnienia podana w specyfikacji wzmacniacza będzie ważna dla określonej częstotliwości pracy lub zakresu częstotliwości.

• Mechanizm sterowania - Zazwyczaj dla wyższych częstotliwości wymagane jest sterowanie analogowe, podczas gdy dla niższych częstotliwości (np. audio) można używać sterowania PWM.

• Produkt pasma przenoszenia i wzmocnienia - Całkowite pasmo przenoszenia będzie ograniczone, gdy wzmocnienie w wzmacniaczu jest zwiększane. Upewnij się, że możesz uzyskać potrzebne wzmocnienie i pasmo z tą specyfikacją.

• Rezystancja termiczna - Wzmacniacze mocy mogą się nagrzewać, więc ważne jest, aby zwrócić uwagę na rezystancję termiczną, aby uzyskać przybliżoną ocenę temperatury pracy komponentu.

• Kompresja 1 dB i punkty 3OIP - Pierwsza wartość informuje, kiedy wzmacniacz zaczyna się nasycić, podczas gdy druga informuje, kiedy moc produktów intermodulacji trzeciego rzędu jest równa mocy głównego sygnału. Ogranicza to moc wejściową, którą można użyć w wzmacniaczu.

HMC455LP3 od Analog Devices to wzmacniacz mocy 2,5 GHz oparty na tranzystorze bipolarnym heterozłącza GaAs-InGaP. Ten wzmacniacz zapewnia wysoki punkt 3OIP (patrz poniżej krzywe funkcji przejścia) z wzmocnieniem około 12 dB przy mocy wejściowej do około 15 dBm. Ten komponent może być przydatny w systemach mikrofalowych o niskiej częstotliwości działających od 1,7 GHz do 2,5 GHz.

Dla systemów audio, TPA2012D2RTJR od Texas Instruments to wzmacniacz audio klasy D oferujący wybieralne wzmocnienie z mocą wyjściową do 2,1 W w zakresie audio. Komponent ten może dostarczać moc do głośników 4 Ohm lub 8 Ohm przy 5 V lub 3,6 V z wybieralnym wzmocnieniem do 24 dB. Ten komponent jest dostępny w bardzo małej obudowie BGA, co czyni go odpowiednim do użycia w urządzeniach mobilnych, w tym telefonach, tabletach i przenośnych odtwarzaczach multimedialnych.

Wzmacniacze o niskim poziomie szumów

Wzmacniacz o niskim poziomie szumów ma za zadanie wzmacniać napięcie przychodzącego sygnału bez znaczącego wzmacniania towarzyszących mu szumów w systemie, zwiększając tym samym wartość SNR dla sygnału. Te komponenty muszą charakteryzować się bardzo niskim wewnętrznym poziomem szumów, aby zapewnić takie właściwości wzmacniania. Muszą również być w stanie odpowiednio odrzucać źródła szumów w swoim pasmie pracy, wymagając wysokiego PSRR i wąskiego spadku na ich krzywej funkcji przejścia. Wreszcie, aby zminimalizować zniekształcenia przy stosowaniu wysokiego wzmocnienia, te komponenty muszą charakteryzować się wysoką liniowością, aby zapobiec generowaniu harmonicznych i produktów intermodulacji.

Aby zapewnić bardzo wysokie wzmocnienie przy minimalnym wzmacnianiu szumów, jedną z ważnych specyfikacji jest figura szumów, a dokładniej stosunek wzmocnienia do figury szumów. Niektóre bardzo wrażliwe aplikacje odbiornikowe mogą wymagać, aby te stosunki mieściły się w zakresie od 20 do 30 (np. 1 dB figura szumów przy 20 do 30 dB wzmocnienia).

Przykład niskoszumowego wzmacniacza

Jednym z bardzo prostych przykładów LNA jest MBC13720NT1 od NXP Semiconductors. Ten komponent LNA ma bardzo szeroki zakres częstotliwości pracy, obejmujący od 400 MHz do 2,4 GHz. Ten komponent może zapewnić selektywnie kontrolowany prąd do 11 mA przy wysokim wzmocnieniu osiągającym 20 dB przy 900 MHz. Figura szumów jest również niska, ze stosunkiem wzmocnienia do figury szumów wynoszącym około 15. Ten typ komponentu byłby przydatny po stronie RX modułów transceiverów radiowych sub-GHz działających z wysoką mocą.

Co jeszcze jest potrzebne w Twoim łańcuchu sygnałowym

Z przedstawionego powyżej schematu powinno być jasne, że do zbudowania kompletnego łańcucha sygnałowego dla systemów RF o umiarkowanej do wysokiej mocy potrzebne są liczne inne komponenty. W przypadku aplikacji na poziomie konsumenckim lub przy pracy w Bluetooth WiFi, istnieją niektóre wysoce zintegrowane RF MCU SoCs, które obejmują cały front end wbudowany w komponent. Dostępne są również moduły bezprzewodowe, które można wybrać dla tych systemów, które będą obejmować cały front end chipa. Inne pasma radiowe, które nie mają tego samego poziomu penetracji rynku, zazwyczaj nie mają tych zintegrowanych rozwiązań, i projektanci będą musieli zastosować opisane tutaj podejście.

Aplikacja taka jak radio zdefiniowane programowo, radio amatorskie lub działanie w paśmie ISM prawdopodobnie wymagać będzie zbudowania własnego łańcucha sygnałowego całkowicie z dyskretnych komponentów. Niektóre z komponentów, których będziesz potrzebować w tej aplikacji, obejmują procesor cyfrowy do sterowania całym systemem, jak również każdy z wymienionych powyżej elementów RF. Niektóre z potrzebnych komponentów można znaleźć w następujących zasobach:

• FPGA czy MCU dla procesora cyfrowego

• Przetworniki ADC wysokiej częstotliwości do zastosowań radiowych

• Osobne oscylatory do generacji sygnału

• Filtry i inne elementy pasywne

• Przełącznik anteny czy multiplekser

Projektanci pracujący nad systemami RF z wykorzystaniem komponentów zintegrowanych lub dyskretnych mogą uzyskać dostęp do danych, wglądów i informacji o źródłach za darmo, korzystając z funkcji wyszukiwania w Octopart. Tylko Octopart oferuje zaawansowane funkcje wyszukiwania i filtracji, aby pomóc kupującym znaleźć komponenty oraz aktualne dane o cenach dystrybutorów, zapasach części i specyfikacjach części. Zapoznaj się z naszą stroną poświęconą układom scalonym, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Zapoznaj się z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.