10 considérations pratiques pour la conception d'un amplificateur à faible bruit

La fonction principale d'un amplificateur à faible bruit est d'amplifier les petits signaux de puissance. Dans un microphone électronique, le message peut être soit une tension, soit un courant, variable w.r.t. Temps. Comme tous les amplificateurs, l'amplificateur à faible bruit est également un circuit à deux ports. Il consomme de l'énergie électrique pour améliorer l'amplitude du signal d'entrée. Il en résulte un signal de sortie proportionnel plus élevé.

Cet article traite de dix considérations pratiques à garder à l'esprit pour la conception de LNA.

Conception d'amplificateur à faible bruit - Une figure à faible bruit offre de meilleures performances LNA.

Les amplificateurs à faible bruit sont des composants vitaux dans plusieurs appareils. Certains d'entre eux sont des communications radio, des instruments médicaux et des machines de test électroniques.

Un amplificateur à faible bruit typique peut fournir un gain de puissance de 100 (+20 décibels). Simultanément, il peut réduire le rapport signal sur bruit jusqu'à 3 dB (moins d'un facteur deux). Les signaux bien au-dessus du niveau de bruit de fond peuvent provoquer des distorsions d'intermodulation.

Les composants de la chaîne de signal dégradent le rapport signal/bruit   (SNR) ， le chiffre de bruit fait référence à cette dégradation. C'est une valeur numérique qui définit les performances d'un amplificateur. Des valeurs de facteur de bruit plus faibles signifient de meilleurs résultats de l'amplificateur à faible bruit. En termes de décibels, le facteur de bruit est le même que le facteur de bruit.

Conception d'amplificateur à faible bruit - Vous avez besoin de trois paramètres pour calculer le gain de puissance de l'amplificateur.

Une caractéristique distincte du circuit amplificateur est plus importante que le gain de puissance unitaire. En termes simples, le gain d'un amplificateur est le rapport de sa puissance de sortie à l'entrée. L'amplificateur à faible bruit (LNA) réduit le bruit supplémentaire, qui est un effet secondaire de l'utilisation de haut-parleurs. Pour y parvenir, les concepteurs doivent prendre en compte quelques éléments dans leurs conceptions de circuits imprimés/circuits. Certains d'entre eux incluent le choix de composants à faible bruit et l'adaptation d'impédance.

Pour calculer le gain de puissance de l'amplificateur, vous aurez besoin des valeurs de 3 paramètres. Les paramètres sont :

1. Gain de puissance du transducteur

Cela souligne les avantages de l'amplificateur au lieu d'utiliser la source pour diriger la même charge. Souvent, un amplificateur à faible bruit est conjugué à la cause. Le gain de puissance du transducteur est alors le même que le gain de puissance de fonctionnement.

2. Gain de puissance de fonctionnement

Dans un réseau à deux ports, la puissance se dissipe dans la charge. Le rapport de cette puissance de dissipation à la puissance d'entrée est le gain de puissance de fonctionnement.

3. Puissance/gain maximum disponible (MAG)

PLM=Puissance moyenne disponible la plus élevée à la charge (sortie).

PSM=La puissance la plus élevée est disponible à la source.

MAG est le rapport entre PLM et PSM.

La valeur de ces paramètres dépend de nombreux facteurs tels que la charge, l'entrée, la sortie et la source. Le coefficient de réflexion et les paramètres S sont également nécessaires pour dériver les valeurs ci-dessus.

Contexte de la ligne de transmission

Une ligne de transmission est un milieu conducteur qui transporte des signaux sur de grandes distances. La perte ou la distorsion est la moindre (souvent négligeable).

Considérez l'impédance de charge ZL et l'impédance de source ZS. La tension (ou puissance) est la somme des ondes incidentes et réfléchies. Ils se déplacent dans des directions opposées le long de la ligne d'impédance caractéristique de transmission (Z0).

Si ZL n'est pas égal à Z0, la charge réfléchit une partie des ondes incidentes vers la source. Le processus se poursuit comme une boucle indéfinie dans les lignes de transmission sans perte.

Le coefficient de réflexion dans le cas d'une correspondance d'impédance parfaite est nul

Le coefficient de réflexion est un rapport entre l'onde incidente et l'onde réfléchie. La considération est nulle lorsque l'impédance de charge est égale à l'impédance caractéristique. C'est un nombre complexe, avec une magnitude et un angle sous forme polaire.

Si la différence entre les deux impédances est grande, on peut s'attendre à une grande étendue de réflexion. La réflexion est proportionnelle au coefficient de réflexion dans un amplificateur à faible bruit.

Les coefficients de réflexion respectifs dans le réseau RF

Le coefficient de réflexion de la source et le coefficient de réflexion de la charge sont des termes utilisés dans les réseaux RF. Ils sont identiques à l'impédance de source et de charge pour les amplificateurs à faible bruit .

Dans les graphiques de flux d'ondes, vous pouvez représenter des ondes incidentes et de réflexion. Tracez le graphique de flux en utilisant des relations linéaires dans les variables de réseau. Il assure la construction rapide d'une fonction de transfert entre 2 points du réseau.

Les nœuds du graphe de flux représentent différentes variables. Les variables indépendantes se lient aux variables dépendantes par des chemins différents. Une valeur de gain s'attache à la fonction de chemin， elle est relative au coefficient de réflexion des variables concernées.

Vous pouvez catégoriser un LNA par ses paramètres S

Les paramètres S ou les paramètres de diffusion sont essentiels dans les conceptions d'amplificateurs à faible bruit. Ils décrivent les caractéristiques d'un réseau linéaire sous l'effet de signaux électriques.

Les charges correspondantes sont réputées pour l'étude des paramètres S. La raison principale est la facilité d'utilisation pour les hautes fréquences de signal. Les analyseurs de réseaux vectoriels modernes calculent l'amplitude et la phase des phaseurs d'onde.

Vous pouvez exprimer les propriétés électriques de plusieurs composants embarqués à l'aide de paramètres S. Les composants peuvent inclure ：

1. résistances

2. inducteurs

3. condensateurs

Les paramètres peuvent afficher des caractéristiques telles que le gain, la perte de retour, le VSWR, le coefficient de réflexion ou la stabilité. Avoir une compréhension de l'algèbre matricielle est essentiel pour comprendre les paramètres S. Les paramètres suivent ces lois algébriques.

Utilisez MAG comme critères de sélection préliminaires pour les LNA à 2 ports.

Le MAG indique le gain de puissance théorique le plus élevé que vous pouvez obtenir de l'appareil. Les charges de source et d'impédance sont conjuguées. MAG est une propriété essentielle pour les amplificateurs RF à 2 ports. Admission de transfert inverse nulle. Pour la bonne définition, regardez ci-dessus.

Dans un réseau à deux ports, MAG peut afficher les niveaux de gain disponibles d'un amplificateur à faible bruit. De cette façon, nous pouvons évaluer si le LNA est adapté à la tâche. C'est également pourquoi le MAG est le principal critère de sélection pour les réseaux RF, LNA et micro-ondes.

Plus de gain de transducteur

Le terme de gain le plus courant dans la conception des amplificateurs RF est le gain du transducteur. Selon la définition, le rapport entre la puissance de sortie de la source à la charge et la puissance de source la plus élevée. Le gain du transducteur comprend quelques composants :

1. Nous pouvons entrer et sortir le résultat de l'adaptation d'impédance.

2. Le gain total de l'amplificateur dû au LNA.

L'une des fonctions de ce paramètre est la réduction de la matrice de circuit suivante en un 2 × 2. Cette réduction de matrice facilite la mesure et le calcul, les pertes résistives entre les composants du circuit se produisent tout au long du processus. Ne les négligez pas lors du calcul du gain du transducteur.

La stabilité est la principale considération

La stabilité, ou la résistance à l'oscillation, est une considération essentielle lors de la conception du LNA. Certains paramètres sont utiles pour déterminer la stabilité des amplificateurs à faible bruit. Ils incluent les paramètres S, les réseaux correspondants et les terminaisons.

Trois phénomènes sont responsables de l'instabilité dans un amplificateur. Ce sont :

1. Rétroaction interne du transistor.

2. La raison peut être due à un circuit externe, une entrée de transistor externe.

3. Gain inutile en dehors de la bande de fréquence de fonctionnement nécessaire.

Cela aiderait si vous calculiez le facteur de stabilité de Rollett (K ) en utilisant les paramètres S donnés. Le déterminant de la matrice, ainsi que le facteur de stabilité, peuvent déterminer la stabilité. Un amplificateur n'est stable que lorsque K est supérieur à 1. De plus, la valeur déterminante ne doit pas dépasser un.

Conception d'amplificateur à faible bruit - Valeur d'impédance plus appropriée

Le Smith Chart est nécessaire pour concevoir des réseaux d'impédance d'adaptation. Les lignes de transmission modifient les propriétés d'impédance à l'aide de lignes microruban, ces lignes ont des impédances caractéristiques variables. Ils peuvent également transformer la valeur de n'importe quelle résistance.

Il existe deux types de réseaux correspondants :

1. Réseau d'adaptation d'entrée :Ceux-ci sont utiles pour réduire l'influence du bruit. Il fait correspondre l'entrée du transistor à la source. De cette façon, nous pouvons obtenir un chiffre de bruit aussi proche que possible du moins de bruit.

2. Réseau d'adaptation de sortie :ce réseau associe la sortie du transistor à la charge. Ainsi, le système fournit la puissance de maximisation du gain potentiel la plus élevée.

Résumé

Nous espérons que le guide ci-dessus vous a été utile. Ces considérations sont nécessaires pour la conception appropriée d'un amplificateur à faible bruit.

Un signal d'entrée avec un facteur de bruit plus faible obtiendra une meilleure amplification via les LNA. Les signaux bien au-dessus du bruit de fond subiront une distorsion d'intermodulation. Le gain de puissance du transducteur, le gain de fonctionnement, le MAG sont nécessaires pour trouver le gain de l'amplificateur. Les paramètres vitaux restants sont les paramètres S, la stabilité et les coefficients de réflexion. Différentes valeurs d'impédance peuvent provoquer des réflexions d'ondes. Le coefficient de réflexion vaut 0 lorsque les impédances correspondent.

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