Sự khác biệt giữa LNA và PA là gì?

Created: Tháng Một 1, 2023
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Làm việc với các tín hiệu tần số cao và lựa chọn các linh kiện cho một chuỗi tín hiệu là một thách thức đủ lớn. Các bộ khuếch đại là một phần quan trọng của chuỗi tín hiệu cho các hệ thống radio vì chúng cung cấp sự tăng cường mà một tín hiệu cần để đạt được điểm đến của nó. Trong những hệ thống này, thường có hai loại bộ khuếch đại xuất hiện: bộ khuếch đại tín hiệu yếu (LNA) và bộ khuếch đại công suất (PA). Cả hai loại bộ khuếch đại này đều thực hiện một chức năng tương tự, nhưng ở những vị trí khác nhau trong chuỗi tín hiệu.

Sự khác biệt giữa các linh kiện LNA và PA minh họa điều gì đó cơ bản hơn về việc lựa chọn bộ khuếch đại: khía cạnh nào của tín hiệu đang được linh kiện thao tác trước khi giao cho tải. Trong các hệ thống radio, những bộ khuếch đại này sẽ xuất hiện ở cả hai phía RF front-end như một phần của việc phát sóng và nhận sóng, vì vậy những linh kiện này phải được chọn lựa cẩn thận và nên hoạt động trong phạm vi công suất tín hiệu đúng để cung cấp kết quả tốt nhất. Trong bài viết này, tôi sẽ xem xét sự khác biệt giữa hai loại linh kiện này và cung cấp một số ví dụ về các bộ phận tiên tiến cho các hệ thống RF hoạt động trong nhiều dải tần số.

Bộ khuếch đại trong một RF Front-End

Trong RF front end, một LNA và một PA thường được sử dụng ở các phía RX và TX, tương ứng. Điều này nói chung là trường hợp trong nhiều hệ thống RF yêu cầu giao tiếp không dây; các phần PA và LNA thường được tích hợp vào bộ xử lý ứng dụng hoặc bộ thu phát RF tích hợp cao. Một trường hợp sử dụng tương tự xuất hiện trong âm thanh, nơi bộ khuếch đại công suất đang điều khiển một loa và một LNA có thể được sử dụng trên một micro để thu thập giọng nói nhỏ từ môi trường xung quanh.

Hình ảnh dưới đây cho thấy nơi các bộ khuếch đại thường xuất hiện trong một RF front-end và cách những bộ khuếch đại này được triển khai ở các phía TX và RX của chuỗi tín hiệu. Loại kiến trúc TX/RX này là điển hình trong các chip có khối thu phát tích hợp, cũng như trong các hệ thống sử dụng các linh kiện rời chạy ở công suất cao hơn. Công tắc ở đầu ra là tùy chọn và được sử dụng để triển khai ghép kênh phân chia thời gian (TDD) với một ăng-ten duy nhất sao cho TX và RX được tách ra thành các khung thời gian khác nhau. Tuy nhiên, điều này không bắt buộc và các đường RX/TX có thể được kết nối trực tiếp với các ăng-ten của chúng.

Ở phía RX, đầu vào của LNA được đưa trực tiếp vào một bộ giải điều chế/chuyển đổi xuống để trích xuất dữ liệu từ một tín hiệu điều chế đã nhận. LNA chỉ xử lý đầu vào nhận được từ ăng-ten RX và được thiết kế để cung cấp đủ lượng khuếch đại để đảm bảo tín hiệu vượt qua ngưỡng nhạy của bộ thu. Điều này hiệu quả mở rộng phạm vi nhận chỉ với một lượng khuếch đại nhỏ được áp dụng trên chuỗi tín hiệu RX.

Ở phía TX, bộ khuếch đại công suất lấy đầu ra từ giai đoạn điều chế/chuyển đổi lên và khuếch đại nó để cung cấp công suất tối đa cho tải. Trong trường hợp kết nối trực tiếp với một ăng-ten, công suất cung cấp cho các ăng-ten hoặc bất kỳ linh kiện nào khác trong hệ thống có thể yêu cầu phải khớp với một trở kháng phản ứng. Điều này sẽ yêu cầu khớp trở kháng đồng pha với một linh kiện phi tuyến để đạt được truyền công suất tối đa như được mô tả dưới đây.

Với những điểm này trong tâm trí, hãy xem xét kỹ hơn từng loại bộ khuếch đại.

Bộ khuếch đại công suất

Mục đích của một bộ khuếch đại công suất rất đơn giản: cung cấp công suất tối đa cho tải với sự méo tín hiệu tối thiểu. Về mức độ tín hiệu, bộ khuếch đại công suất nên tối đa hóa tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trong điều kiện công suất so với mức nền nhiễu trong băng thông của chuỗi tín hiệu. Điều này nghe có vẻ khá đơn giản và là chức năng hiển nhiên của một bộ khuếch đại, nhưng như tôi đã thảo luận trong các bài viết về các loại bộ khuếch đại khác, các bộ khuếch đại khác nhau liên quan đến các tín hiệu đầu vào khác nhau và sẽ cố gắng phù hợp với các loại tải khác nhau trong chuỗi tín hiệu.

Để cung cấp công suất tối đa cho tải, cần có sự khớp trở kháng đối xứng trong chuỗi tín hiệu. Các bộ khuếch đại công suất hoạt động trong phạm vi MHz đến GHz cho hệ thống radio có thể hoạt động với trở kháng đầu ra 50 Ohm, do đó ăng-ten có thể được thiết kế với trở kháng 50 Ohm để cung cấp khớp trở kháng thực. Trong trường hợp trở kháng của ăng-ten là phản ứng, một mạng khớp trở kháng với các linh kiện thụ động hoặc một bộ biến đổi trở kháng nối tiếp là cần thiết. Phương án sau chỉ khả thi trong các hệ thống có kích thước lớn khi làm việc ở tần số MHz, nhưng điều này có thể được thực hiện ở tần số GHz cao mà không làm cho bảng mạch quá lớn.

Điểm quan trọng khác về khớp trở kháng là việc khớp đối xứng đơn giản thực sự sẽ không cung cấp việc chuyển giao công suất tối đa cho ăng-ten TX trong hầu hết các tình huống. Điều này là do việc chạy một bộ khuếch đại công suất rất gần với điểm bão hòa (gần điểm nén 1 dB). Trong trạng thái này, hàm chuyển của bộ khuếch đại công suất bắt đầu trở nên phi tuyến, như được hiển thị dưới đây.

Trong trạng thái này, việc chuyển giao công suất tối đa sẽ xảy ra khi có một sự không khớp trở kháng nhỏ giữa bộ khuếch đại công suất và tải của nó. Điều này là do giá trị chuyển giao công suất tối đa sẽ là một hàm của mức công suất đầu vào, yêu cầu giải một phương trình siêu việt trong một bài toán tối ưu hóa để xác định khớp trở kháng tối ưu. Một kỹ thuật mô phỏng gọi là phân tích kéo tải có thể được sử dụng để xác định sự không khớp tối ưu cung cấp việc chuyển giao công suất tối đa.

Ví dụ về Bộ Khuếch Đại Công Suất

Các bộ khuếch đại công suất có sẵn trong bất kỳ lớp khuếch đại tiêu chuẩn nào, và các linh kiện có sẵn trong nhiều phạm vi tần số từ âm thanh đến sóng vi ba.

Một số thông số quan trọng được sử dụng để chọn một bộ khuếch đại công suất bao gồm:

Độ lợi tại tần số yêu cầu - Giá trị độ lợi được chỉ định trong thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại sẽ hợp lệ cho một tần số hoạt động cụ thể hoặc phạm vi tần số.
Cơ chế điều khiển - Thông thường, điều khiển tương tự được yêu cầu cho các tần số cao hơn, trong khi các tần số thấp hơn (ví dụ, âm thanh) có thể hoạt động với điều khiển PWM.
Sản phẩm băng thông độ lợi - Băng thông tổng thể sẽ bị giới hạn khi độ lợi trong bộ khuếch đại được tăng cao. Hãy chắc chắn bạn có thể đạt được độ lợi và băng thông bạn cần với thông số kỹ thuật này.
Điện trở nhiệt - Bộ khuếch đại công suất có thể nóng lên, vì vậy quan trọng là phải lưu ý đến điện trở nhiệt để có ước lượng sơ bộ về nhiệt độ hoạt động của linh kiện.
Điểm nén 1 dB và điểm 3OIP - Giá trị đầu tiên cho bạn biết khi nào bộ khuếch đại bắt đầu bão hòa, trong khi giá trị sau cho bạn biết khi nào công suất sản phẩm giao thoa bậc ba bằng với công suất tín hiệu chính. Điều này giới hạn công suất đầu vào bạn có thể sử dụng trong bộ khuếch đại.

HMC455LP3 từ Analog Devices là một bộ khuếch đại công suất 2.5 GHz dựa trên transistor đa lớp GaAs-InGaP. Bộ khuếch đại này cung cấp một điểm 3OIP cao (xem các đường cong chuyển đổi bên dưới) với khoảng 12 dB độ lợi cho đến khoảng 15 dBm công suất đầu vào. Linh kiện này có thể hữu ích trong các hệ thống vi sóng tần số thấp hoạt động từ 1.7 GHz đến 2.5 GHz.

Đối với hệ thống âm thanh, TPA2012D2RTJR từ Texas Instruments là một bộ khuếch đại âm thanh lớp D cung cấp độ lợi có thể chọn với công suất đầu ra lên đến 2.1 W trong dải âm thanh. Linh kiện này có thể cung cấp nguồn điện cho loa 4 Ohm hoặc 8 Ohm tại 5 V hoặc 3.6 V với độ lợi có thể chọn lên đến 24 dB. Linh kiện này có trong một gói BGA rất nhỏ phù hợp cho việc sử dụng trong các thiết bị di động, bao gồm điện thoại, máy tính bảng và máy nghe nhạc di động.

Bộ Khuếch Đại Ít Nhiễu

Một bộ khuếch đại ít nhiễu được dự định để khuếch đại điện áp của tín hiệu đầu vào mà không làm tăng đáng kể nhiễu đi kèm trong hệ thống, do đó tăng giá trị SNR cho tín hiệu. Các linh kiện này phải có nhiễu nội bộ rất thấp để cung cấp các đặc tính khuếch đại như vậy. Họ cũng phải có khả năng từ chối đủ các nguồn nhiễu trong băng thông hoạt động của mình, yêu cầu PSRR cao và độ dốc hẹp trong đường cong chuyển đổi của họ. Cuối cùng, để giảm thiểu méo khi áp dụng độ lợi cao, các linh kiện này phải có độ tuyến tính cao để ngăn chặn sự phát sinh của các sản phẩm hài và giao thoa.

Để cung cấp độ lợi rất cao với sự khuếch đại nhiễu tối thiểu, một trong những thông số quan trọng là số hình nhiễu, hoặc cụ thể hơn là tỷ lệ độ lợi-so với-số hình nhiễu. Một số ứng dụng thu nhạy cảm có thể yêu cầu những tỷ lệ này nằm trong khoảng từ 20 đến 30 (ví dụ, số hình nhiễu 1 dB với độ lợi 20 đến 30 dB).

Ví dụ về Bộ Khuếch Đại Ít Nhiễu

Một ví dụ đơn giản về LNA là MBC13720NT1 từ NXP Semiconductors. Thành phần LNA này có dải tần hoạt động rất rộng, kéo dài từ 400 MHz đến 2.4 GHz. Thành phần này có thể cung cấp dòng điều khiển có thể chọn lựa lên đến 11 mA với độ lợi cao đạt 20 dB tại 900 MHz. Số hình nhiễu cũng thấp, với giá trị độ lợi-so với-số hình nhiễu khoảng 15. Loại thành phần này sẽ hữu ích ở phía RX của các mô-đun truyền dẫn vô tuyến sub-GHz hoạt động ở công suất cao.

Những Gì Khác Cần Thiết Trong Chuỗi Tín Hiệu Của Bạn

Từ sơ đồ được hiển thị ở trên, nó nên rõ ràng rằng có nhiều thành phần khác cần thiết để xây dựng một chuỗi tín hiệu hoàn chỉnh cho các hệ thống RF công suất trung bình đến cao. Đối với các ứng dụng cấp người tiêu dùng, hoặc khi hoạt động trong Bluetooth WiFi, có một số RF MCU SoCs tích hợp cao bao gồm toàn bộ phần đầu vào được xây dựng vào thành phần. Cũng có các mô-đun không dây có thể được chọn cho các hệ thống này, sẽ bao gồm toàn bộ phần đầu vào của chip. Các băng tần radio khác, không có mức độ thâm nhập thị trường giống như vậy, thường thiếu các giải pháp tích hợp, và các nhà thiết kế sẽ phải áp dụng phương pháp được trình bày ở đây.

Một ứng dụng như radio được định nghĩa bởi phần mềm, radio nghiệp dư, hoặc hoạt động trong một băng tần ISM sẽ có khả năng yêu cầu xây dựng toàn bộ chuỗi tín hiệu của bạn hoàn toàn từ các thành phần rời rạc. Một số thành phần bạn sẽ cần trong ứng dụng này bao gồm một bộ xử lý số để kiểm soát toàn bộ hệ thống, cũng như mỗi thành phần RF được liệt kê ở trên. Một số thành phần bạn cần có thể được tìm thấy trong các nguồn tài nguyên sau:

Các nhà thiết kế làm việc trên hệ thống RF sử dụng linh kiện tích hợp hoặc rời có thể truy cập dữ liệu, thông tin chi tiết và thông tin về nguồn cung cấp miễn phí bằng cách sử dụng các tính năng tìm kiếm trên Octopart. Chỉ có Octopart cung cấp các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến để giúp người mua tìm kiếm linh kiện và dữ liệu giá cập nhật từ nhà phân phối, tồn kho linh kiện, và thông số kỹ thuật của linh kiện. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm linh kiện bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.