10 conseils essentiels pour la conception d'amplificateurs à faible bruit

La fonction principale d'une conception d'amplificateur à faible bruit est d'amplifier de petits signaux de puissance. Dans un microphone électronique, le message peut être soit une tension ou un courant, variable par rapport au temps. Comme tous les amplificateurs, l'amplificateur à faible bruit est aussi un circuit à deux ports. Il consomme de l'énergie électrique pour améliorer l'amplitude du signal d'entrée. Cela résulte en un signal de sortie proportionnellement plus élevé.

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

Conception amplificateur à faible bruit – Un faible facteur de bruit offre de meilleures performances LNA

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

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

Les composants de la chaîne de signal dégradent le rapport signal/bruit (SNR), le facteur de bruit fait référence à cette dégradation. C'est une valeur numérique qui définit la performance 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 amplificateur à faible bruit – Vous avez besoin de trois paramètres pour calculer le gain de puissance de l'amplificateur

Une caractéristique distincte dans le circuit amplificateur est un gain de puissance plus significatif que l'unité. 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 des haut-parleurs. Pour y parvenir, les concepteurs doivent prendre en compte quelques éléments dans leurs conceptions PCB/circuit. 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

Il pointe vers les avantages de l'amplificateur au lieu d'utiliser la source pour piloter directement la même charge. Souvent, un amplificateur à faible bruit est conjugué-apparié 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 dissipée à la puissance d'entrée est le gain de puissance de fonctionnement.

3. Gain de puissance maximal disponible (MAG)

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

PSM = Puissance la plus élevée disponible à la source.

MAG est le rapport de PLM et PSM.

Les valeurs de ces paramètres dépendent 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 déduire les valeurs ci-dessus.

Contexte de la ligne de transmission

Une ligne de transmission est un milieu conducteur qui transporte des signaux sur de vastes 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 la puissance) est la somme des ondes incidentes et réfléchies. Elles voyagent dans des directions opposées le long de la ligne d'impédance caractéristique (Z0).

Si ZL n'est pas égal à Z0, la charge reflète 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 adaptation d'impédance parfaite est zéro

Le coefficient de réflexion est un rapport de l'onde incidente et de l'onde réfléchie. La considération est zéro 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 vaste, nous pouvons nous 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 source et le coefficient de réflexion de charge sont des termes utilisés dans les réseaux RF. Ils sont les mêmes que l'impédance de source et de charge pour les amplificateurs à faible bruit.

Dans les graphes de flux d'onde, vous pouvez représenter les ondes incidentes et réfléchies. Tracez le graphe de flux en utilisant des relations linéaires au sein des variables du réseau. Cela assure la construction rapide d'une fonction de transfert entre 2 points du réseau.

Les nœuds dans le graphe de flux représentent différentes variables. Les variables indépendantes se lient aux dépendantes par différents chemins. 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 paramètres de diffusion sont essentiels dans les conceptions d'amplificateurs à faible bruit. Ils décrivent les caractéristiques de réseau linéaire sous l'effet de signaux électriques.

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

Vous pouvez exprimer les propriétés électriques de plusieurs composants embarqués en utilisant les paramètres S. Les composants peuvent inclure :

1. résistances

2. inductances

3. condensateurs

Les paramètres peuvent montrer des caractéristiques comme le gain, la perte de retour, ROS, coefficient de réflexion ou stabilité. Avoir une compréhension de l'algèbre matricielle est essentielle pour comprendre les paramètres S. Les paramètres suivent ces lois d'algèbre.

Utiliser le MAG comme critère de criblage préliminaire pour les LNA à 2 ports

Le MAG indique le gain de puissance théorique le plus élevé que vous pouvez obtenir du dispositif. La source et les charges d'impédance sont conjuguées-appariées. Le MAG est une propriété essentielle pour les amplificateurs RF à 2 ports. Admittance de transfert inverse zéro. Pour la définition correcte, regardez ci-dessus.

Dans un réseau à deux ports, le MAG peut montrer 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 aussi pourquoi le MAG est le critère de criblage principal pour les réseaux RF, LNA et micro-ondes.

Gain de transducteur plus élevé

Le terme de gain le plus courant dans la conception d'amplificateur RF est le gain de transducteur. Selon la définition, le rapport entre la puissance de sortie de la source à la charge et la plus haute puissance de source. Le gain de transducteur inclut 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 une 2×2. Cette réduction de matrice aide à la mesure et au calcul. Les pertes résistives parmi les composants du circuit se produisent tout au long du processus. Négligez-les pendant le calcul du gain de transducteur.

La stabilité est la considération principale

La stabilité, ou résistance à l'oscillation, est une considération essentielle pendant la conception LNA. Certains paramètres sont utiles pour déterminer la stabilité des amplificateurs à faible bruit. Ils incluent les paramètres S, les réseaux d'adaptation 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, entrée externe du transistor.

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

Il serait utile de calculer le facteur de stabilité de Rollett (K) en utilisant les paramètres S donnés. Le déterminant de la matrice, avec le facteur de stabilité, peut déterminer la stabilité. Un amplificateur est stable seulement quand K est supérieur à 1. De plus, la valeur du déterminant ne doit pas dépasser un.

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

Le diagramme de Smith est nécessaire pour concevoir des réseaux d'adaptation d'impédance. Les lignes de transmission changent les propriétés d'impédance en utilisant des lignes micro-ruban, ces lignes ont des impédances caractéristiques variables. Elles peuvent également transformer la valeur de n'importe quelle résistance.

Il y a deux types de réseaux d'adaptation :

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

2. Réseau d'adaptation de sortie : Ce réseau adapte la sortie du transistor avec la charge. Ainsi, le système fournit le gain potentiel le plus élevé – maximisant la puissance.

Résumé

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

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

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