Qual a Diferença Entre um LNA e um PA?

Criada: Janeiro 1, 2023
Atualizada: Julho 1, 2024

Trabalhar com sinais de alta frequência e selecionar componentes para uma cadeia de sinal é desafiador o suficiente. Amplificadores são uma parte importante de uma cadeia de sinal para sistemas de rádio, pois fornecem o impulso que um sinal precisa para alcançar seu destino. Nestes sistemas, tendem a aparecer dois tipos de amplificadores: um amplificador de baixo ruído (LNA) e um amplificador de potência (PA). Ambos os tipos de amplificadores desempenham uma função semelhante, mas em locais diferentes na cadeia de sinal. As diferenças entre componentes LNA vs. PA ilustram algo mais fundamental sobre a seleção de amplificadores: que aspecto do sinal está sendo manipulado pelo componente antes da entrega a uma carga. Em sistemas de rádio, esses amplificadores aparecerão ambos na frente de RF como parte da transmissão e recepção de sinal, então esses componentes devem ser escolhidos cuidadosamente e devem operar dentro da faixa de potência de sinal correta para fornecer os melhores resultados. Neste artigo, examinarei as diferenças entre esses dois tipos de componentes e fornecerei alguns exemplos de partes avançadas para sistemas de RF operando em várias faixas de frequência.

Amplificadores em uma Frente de RF

Na frente de RF, um LNA e um PA são tipicamente usados nos lados RX e TX, respectivamente. Isso geralmente é o caso em muitos sistemas de RF que requerem comunicação sem fio; as seções de PA e LNA são frequentemente integradas em processadores de aplicação ou transceptores de RF altamente integrados. Um caso de uso semelhante aparece no áudio, onde o amplificador de potência está conduzindo um alto-falante e um LNA poderia ser usado em um microfone para coletar vozes fracas do ambiente próximo. A imagem abaixo mostra onde os amplificadores tipicamente aparecem em uma frente de RF e como esses amplificadores são implementados nos lados TX e RX da cadeia de sinal. Esse tipo de arquitetura TX/RX é típico em chips que têm um bloco transceptor integrado, bem como em sistemas que usam componentes discretos operando em maior potência. O interruptor na saída é opcional e está sendo usado para implementar a multiplexação por divisão de tempo (TDD) com uma única antena, de modo que TX e RX sejam separados em diferentes janelas de tempo. No entanto, isso não é obrigatório e as linhas RX/TX podem ser conectadas diretamente às suas próprias antenas. No lado RX, a entrada do LNA é alimentada diretamente a um demodulador/conversor descendente para extrair dados de um sinal modulado recebido. O LNA só lida com a entrada recebida pela antena RX e destina-se a fornecer apenas ganho suficiente para garantir que o sinal exceda a sensibilidade de limiar do receptor. Isso efetivamente estende o alcance de recepção com apenas uma pequena quantidade de ganho aplicada na cadeia de sinal RX. No lado TX, o amplificador de potência pega a saída do estágio de modulação/conversão ascendente e a amplifica para entregar potência máxima à carga. No caso de conexões diretas a uma antena, a potência dada às antenas ou quaisquer outros componentes no sistema pode exigir correspondência com uma impedância reativa. Isso exigirá correspondência de impedância conjugada com um componente não linear para atingir a transferência de potência máxima conforme descrito abaixo. Com esses pontos em mente, vamos olhar mais de perto cada tipo de amplificador.

Amplificadores de Potência

O propósito de um amplificador de potência é muito simples: entregar a máxima potência a uma carga com a mínima distorção do sinal. Em termos de nível de sinal, o amplificador de potência deve maximizar a relação sinal-ruído em termos de potência comparada ao piso de ruído dentro da largura de banda da cadeia de sinal. Isso deve parecer bastante simples e uma função óbvia de um amplificador, mas como discuti em artigos sobre outros tipos de amplificadores, diferentes amplificadores envolvem diferentes entradas de sinal e tentarão acomodar diferentes tipos de cargas na cadeia de sinal.

Para entregar a máxima potência a uma carga, é necessária a correspondência de impedância conjugada na cadeia de sinal. Amplificadores de potência operando na faixa de MHz a GHz para sistemas de rádio podem operar com impedância de saída de 50 Ohms, então a antena poderia ser projetada para uma impedância de 50 Ohms para fornecer uma correspondência de impedância real. No caso em que a impedância da antena é reativa, uma rede de correspondência de impedância é necessária com passivos, ou um transformador de impedância em cascata é necessário. Este último só é viável em sistemas fisicamente grandes quando trabalhando em frequências de MHz, mas isso pode ser feito em altas frequências de GHz sem tornar a placa muito grande.

O outro ponto importante sobre a correspondência de impedância é que a simples correspondência conjugada não entregará, na verdade, a transferência máxima de potência para a antena TX na maioria das situações. Isso ocorre porque é comum operar um amplificador de potência muito próximo da saturação (perto do ponto de compressão de 1 dB). Neste estado, a função de transferência do amplificador de potência começa a se tornar não linear, como mostrado abaixo.

Neste estado, a transferência máxima de potência ocorrerá quando houver uma pequena incompatibilidade de impedância entre o amplificador de potência e sua carga. Isso ocorre porque o valor de transferência máxima de potência será uma função do nível de potência de entrada, o que requer a resolução de uma equação transcendental em um problema de otimização para determinar a correspondência de impedância ótima. Uma técnica de simulação chamada análise de puxada de carga pode ser usada para determinar a incompatibilidade ótima que fornece a transferência máxima de potência.

Exemplos de Amplificadores de Potência

Amplificadores de potência estão disponíveis em qualquer uma das classes de amplificador padrão, e os componentes estão disponíveis em muitas faixas de frequência que vão do áudio ao micro-ondas.

Algumas das especificações importantes usadas para selecionar um amplificador de potência incluem:

Ganho na frequência requerida - O valor de ganho que é fornecido nas especificações do amplificador será válido para uma frequência operacional específica ou faixa de frequência.
Mecanismo de acionamento - Geralmente, o acionamento analógico é necessário para frequências mais altas, enquanto frequências mais baixas (por exemplo, áudio) podem funcionar com acionamento PWM.
Produto ganho-largura de banda - A largura de banda total será limitada à medida que o ganho no amplificador for aumentado. Certifique-se de que você pode obter o ganho e a largura de banda de que precisa com esta especificação.
Resistência térmica - Amplificadores de potência podem esquentar, então é importante notar a resistência térmica para obter uma estimativa aproximada da temperatura operacional do componente.
Compressão de 1 dB e pontos 3OIP - O primeiro valor indica quando o amplificador começa a saturar, enquanto o último indica quando as potências dos produtos de intermodulação de terceira ordem são iguais à potência do sinal principal. Isso limita a potência de entrada que você pode usar no amplificador.

O HMC455LP3 da Analog Devices é um amplificador de potência de 2,5 GHz baseado em um transistor bipolar de heterojunção GaAs-InGaP. Este amplificador fornece um ponto 3OIP alto (veja as curvas de função de transferência abaixo) com aproximadamente 12 dB de ganho em até aproximadamente 15 dBm de potência de entrada. Este componente pode ser útil em sistemas de micro-ondas de baixa frequência operando de 1,7 GHz a 2,5 GHz.

Para sistemas de áudio, o TPA2012D2RTJR da Texas Instruments é um amplificador de áudio Classe D oferecendo ganho selecionável com até 2,1 W de saída de potência na faixa de áudio. O componente pode fornecer entrega de potência para alto-falantes de 4 Ohm ou 8 Ohm a 5 V ou 3,6 V com um ganho selecionável de até 24 dB. Este componente vem em um pacote BGA muito pequeno, tornando-o apropriado para uso em dispositivos móveis, incluindo telefones, tablets e players de mídia portáteis.

Amplificadores de Baixo Ruído

Um amplificador de baixo ruído tem como objetivo amplificar a tensão de um sinal de entrada sem amplificar significativamente o ruído acompanhante no sistema, aumentando assim o valor de SNR para o sinal. Esses componentes devem ter um ruído inerente muito baixo para fornecer tais características de amplificação. Eles também devem ser capazes de rejeitar suficientemente as fontes de ruído dentro de sua largura de banda operacional, exigindo um alto PSRR e um estreitamento acentuado na curva de função de transferência. Finalmente, para minimizar a distorção ao aplicar alto ganho, esses componentes devem ter alta linearidade para prevenir a geração de harmônicos e produtos de intermodulação.

Para fornecer um ganho muito alto com mínima amplificação de ruído, uma das especificações importantes é a figura de ruído, ou mais especificamente a relação ganho-para-figura de ruído. Algumas aplicações de receptores muito sensíveis podem exigir que essas relações variem de 20 a 30 (por exemplo, 1 dB de figura de ruído com 20 a 30 dB de ganho).

Exemplo de Amplificador de Baixo Ruído

Um exemplo muito simples de LNA é o MBC13720NT1 da NXP Semiconductors. Este componente LNA possui uma faixa de frequência operacional muito ampla, variando de 400 MHz a 2,4 GHz. Este componente pode fornecer corrente controlada selecionável de até 11 mA com alto ganho alcançando 20 dB a 900 MHz. A figura de ruído também é baixa, com um valor de ganho-para-figura de ruído de aproximadamente 15. Esse tipo de componente seria útil no lado RX de módulos transceptores de rádio sub-GHz operando em alta potência.

O Que Mais é Necessário na Sua Cadeia de Sinal

A partir do diagrama mostrado acima, deve ficar claro que muitos outros componentes são necessários para construir uma cadeia de sinal completa para sistemas RF de moderada a alta potência. Para aplicações de nível consumidor, ou quando operando em Bluetooth WiFi, existem alguns RF MCU SoCs altamente integrados que incluem todo o front end integrado ao componente. Também existem módulos sem fio que podem ser selecionados para esses sistemas, os quais incluirão todo o front end do chip. Outras bandas de rádio, que não têm o mesmo nível de penetração no mercado, geralmente carecem dessas soluções integradas, e os projetistas terão que adotar a abordagem aqui delineada.

Uma aplicação como rádio definido por software, rádio amador, ou operação em uma banda ISM provavelmente exigirá a construção de sua própria cadeia de sinal inteiramente a partir de componentes discretos. Alguns dos componentes que você precisará nesta aplicação incluem um processador digital para controlar todo o sistema, bem como cada um dos elementos RF listados acima. Alguns dos componentes necessários podem ser encontrados nos seguintes recursos:

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