что такое lna усилитель
Малошумящие усилители LNA в спутниковом оборудовании
Что такое малошумящий усилитель
МШУ — электронное устройство, которое усиливает сигнал, имеющий очень малую мощность, без значительного ухудшения взаимосвязи сигнал/шум.
Усилитель увеличивает мощность не только сигнала, но и шума, а также создает дополнительные шумовые помехи. МШУ спроектирован для их минимизации без влияния на согласование импеданса, увеличение мощности.
Роль малошумящего усилителя в спутниковых конвертерах LNB
Спутниковый LNB конвертер объединяет малошумящий усилитель сигнала, принимаемого со спутника, с понижающим частотным преобразователем.
Основная функция МШУ для подобной системы — оптимальное полезное извлечение, усиление спутникового сигнала. Однако LNA только приумножает его, но непосредственно конвертер (LNB — Low Noise Block Downconverter) создает необходимое увеличение при минимальном уровне шумов, а также преобразовывает сигнал до необходимой воспринимаемой приемником частоты.
Low Noise Block помещается перед получающей слабый сигнал спутниковой тарелкой, усиливает его, формирует более низкие частоты, а затем транслирует их по кабелю к приемному устройству.
Словосочетание Low Noise означает качество первого транзисторного предусилителя, которое измеряется в единицах, называемых коэффициентом шума или шумовой температурой, которые должны стремиться к нулю.
Слово Downconverter отражает преобразование получаемых со спутника сверхвысоких частот в более низкие.
Малошумящие усилители (LNA)
Так как усилитель радиочастоты находится на входе радиоприемного устройства, то его шумовые характеристики и динамический диапазон в основном определяют характеристики всего устройства в целом. А ведь уменьшение шумов радиоприемника на 3 дБ позволяет уменьшить мощность передатчика в два раза! Поэтому разработке малошумящих усилителей (LNA — low noise amplifier) всегда уделяли особое внимание.
В связи с микроминиатюризацией современной элементной базой и связанной с ней миниатюризацией узлов радиоприемного устройства сейчас на СВЧ возможно применение схемотехнических решений, которые ранее применялись на значительно более низких частотах. Это связано с тем, что размеры блока относительно длины волны рабочего колебания становятся меньше одной десятой длины волны и в результате при разработке этого блока можно пренебречь волновыми эффектами при распространении колебаний.
На высоких частотах наилучшими характеристиками обладает схема включения транзистора с общей базой. В этой схеме транзистор обладает лучшей линейностью за счет внутренней обратной связи. Кроме того, расширяется его частотная характеристика. Малая проходная емкость коллектор-эмиттер не создает условия для паразитного самовозбуждения схемы усилителя.
Рисунок 1. Принципиальная схема усилительного каскада с транзистором с общей базой (коллекторная термостабилизация)
Рисунок 2. Принципиальная схема LNA усилителя на микросхеме (комбинированная стабилизация режима)
В настоящее время в СВЧ усилителях в основном используются SiGe, GaAs, GaN MESFET-транзисторы, однако их схемы включения практически совпадают со схемами включения биполярных транзисторов. Схеме включения транзистора с общей базой соответствует схема усилительного каскада с общим затвором. В этих схемах для стабилизации режима работы транзистора применяется схема истоковой стабилизации (аналог эмиттерной стабилизации). Схема усилительного каскада с общим затвором приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Принципиальная схема LNA усилителя на MESFET транзисторе
По подобным схемам ряд зарубежных фирм выпускает готовые СВЧ усилители. Границы микросхем показаны на пунктирной линией. В качестве примера можно назвать такие микросхемы как RF3827, RF2360 фирмы RFMD, ADL5521 фирмы Analog Devices, MAALSS0038, AM50-0015 фирмы M/A-COM. В данных микросхемах применяются арсенид-галлиевые полевые транзисторы. Верхняя усиливаемая частота может достигать значения 3 ГГц. При этом коэффициент шума колеблется в пределах от 1,2 до Пример принципиальной схемы усилителя радиочастоты с применением интегральной микросхемы MAALSS0038 фирмы M/A-COM приведен на рисунке 4.
Рисунок 4. Принципиальная схема усилителя радиочастоты с применением интегральной микросхемы MAALSS0038
Еще одним примером может служить микросхема HMC454ST89. Эта микросхема не обладает малым уровнем шумов, однако работает в очень широкой полосе частот. На некоторых частотах входной и выходной импеданс имеет индуктивный характер, поэтому входная и выходная согласующие цепи подключаются к микросхеме индуктивной частью, как это показано на рисунке 5.
Рисунок 5. Принципиальная схема усилителя радиочастоты с применением интегральной микросхемы HMC454ST89 для частоты 900 МГц
Для того чтобы определить входной и выходной импеданс микросхем малошумящих усилителей, по строится диаграмма Смита. Пример такой диаграммы для HMC454ST89 на разных частотах приведен на рисунке 6.
Рисунок 6. Диаграмма Смита для HMC454ST89 на наиболее часто применяющихся частотах.
Обратите внимание, что входной импеданс существенно зависит от уровня входного сигнала. Поэтому требуется тщательная проработка конструкции печатной платы. Именно поэтому все фирмы производители усилителей радиочастот приводят примеры печатных плат, которые позволяют получить наилучшие параметры усилителей. Это значительно облегчает процесс проектирования узлов телекоммуникационной аппаратуры. В качестве примера на рисунке 7 приведена фотография отладочной платы фирмы Analog Devices для микросхемы HMC454ST89.
Рисунок 7. Конструкция малошумящего усилителя радиочастоты с применением интегральной микросхемы HMC454ST89 для частоты 900 МГц
Рисунок 8. Конструкция печатной платы малошумящего усилителя радиочастоты на микросхеме ADL5521
Дата последнего обновления файла 23.02.2020
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Что такое lna усилитель
Малошумящий усилитель LNA (аббревиатура от англ. Low-noise amplifier) прямо на антенне при сколь-нибудь серьезной работе на VHF необходим. Затухание даже в очень хороших коаксиальных кабелях на сотнях мегагерц вполне ощутимо (не говоря уж об обычных). И неразумно еще до приемника ослаблять потерями в кабеле и без того маленькие сигналы, принятые антенной.
Разных антенных LNA существует немало. Но для самостоятельного изготовления радиолюбителем многие из них имеют следующие недостатки:
Довольно сложные схемы.
Печатная плата с высокими требованиями по точности (которую проблемно, а то и вовсе невозможно изготовить в домашних условиях).
Необходимость настройки (для чего требуются измерительные приборы, которые далеко не у всех есть).
Малый динамический диапазон по интермодуляции. Т.е. при перегрузке мешающими сигналами (например, ТВ и радиовещания, служебных передатчиков, и т.п.) LNA производит помехи на других частотах. Которые по нерушимому закону подлости попадают в принимаемый нами диапазон.
Для ослабления этого на входе приходится ставить узкополосные LC-контура. Но потери в них прямо прибавляются к коэффициенту шума LNA, ухудшая шумовые характеристики всей системы. Для снижения этих потерь контура приходится делать высокодобротными, т.е. с большими катушками. А это усугубляет и без того немалые проблемы следующего пункта.
Этот пункт относится к приемопередающей антенне. При передаче на ней будут десятки, а то и сотни ватт. Понятно, что на передаче LNA отключен. Но ведь речь идет о VHF. И даже малая конструктивная емкость хороших реле на VHF имеет не очень высокий импеданс, снижая развязку.
Большинство транзисторных LNA имеют допустимую входную мощность всего 1 мВт (0 dBm). И при заметном ее превышении горят, даже будучи отключенными от питания. Поэтому для коммутации приём-передача с такими LNA одного, даже очень хорошего, реле на входе как правило недостаточно. Приходится применять более сложные системы коммутации, с дополнительным реле, замыкающим вход LNA.
Если на входе LNA имеются катушки заметных размеров (фильтр или согласование), то ситуация усугубляется. Антенна ведь на передаче излучает. А катушка принимает наводку (контур на входе настроен на рабочую частоту, поэтому его катушка принимает довольно эффективно), которая может быть довольно большой, невзирая на замыкание входа. Поэтому такой LNA приходится хорошо экранировать от собственной антенны. Что тоже не упрощает конструктив.
LNA на SPF5043Z
Принципиальная схема LNA на микросхеме SPF5043Z, лишенного вышеперечисленных недостатков, показана на рис. 1. 
Рис. 1
Параметры
Конструкция
Уважаю людей, способных красиво развести и вытравить аккуратную печатную плату под узел, нужный в одном или, максимум, нескольких экземплярах. Но свою лень уговорить на подобный подвиг не удалось. Поэтому усилитель собран на плате, вырезанной обычным резаком. Используется двусторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 1 мм, на нижней стороне фольга сохранена полностью и используется в качестве земли, на верхней процарапаны дорожки, как показано на рис. 2. 
Габариты платы оцените сами, исходя из того, что габариты корпуса микросхемы 1,2 х 2 мм (не считая выводов). Это, конечно, маленькие размеры, но SPF5043Z еще вполне можно паять тонким жалом обычного паяльника, не используя специальную паяльную станцию с феном.
Последняя при данном конструктиве такова, что LNA не нуждается в отдельном экранированном корпусе.
Вход усилителя распаивается сразу на антенну (если она приемная) или на реле коммутации RX-TX (если приемопередающая). Для защиты от статики и гроз очень желательно, чтобы антенна была бы замкнута по постоянному току и\или заземлена (петлевой или рамочный вибратор и т.п.).
Настройка
Не требуется. Совсем. Даже не представляю, что можно такого сделать, чтобы этот усилитель в описанном конструктиве работал бы неправильно.
Единственное, если для питания используется другое напряжение, чем указано на рис. 1, то измените соответственно R1 (на самом усилителе должно быть 3 В, это оптимум по шумам, при этом он потребляет около 25 мА. При повышении питания на усилителе до 5 В немного возрастает коэффициент шума, но растет динамический диапазон и ток потребления).
Измерения
На рис. 3 приведена частотная зависимость усиления. Чтобы не перегрузить вход анализатора, на выходе усилителя был включен аттенюатор 20 дБ, т.е. усиление выше графика рис. 3 на 20 дБ. 
На рис. 4 приведена зависимость KCB входа усилителя от частоты. 
Согласование в широкой полосе достаточно хорошее. Чтобы разобраться как его улучшить, обратимся к рис. 5, на котором показана зависимость комплексного входного импеданса от частоты. 
Блог UA3REO
Что такое коэффициент шума (Noise Figure) и зачем нужен LNA
Немного теории о применении усилителей.
Коэффициент шума — это число, с помощью которого можно определить шумовые характеристики усилителя или радиоприемника.
Начнем с соотношения сигнал / шум усилителя (SNR — Signal to Noise Rate).
Чем выше это соотношение, тем проще нам работать с сигналом и тем лучше его качество.
Теперь представим, что мы подаем сигнал мощности Psignal на усилитель. Конечно, в дополнение к сигналу, на входе усилителя будет присутствовать некоторый шум, предположим, что это Pnoise. Следовательно, выход усилителя будет включать в себя как сигнал, так и шум (его он тоже усилит на такое же количество децибел как и сигнал).
Тут важным моментом является то, что усилитель сам по себе производит шум. Это может быть тепловой шум, или несовершенство схемотехники, но количество этого шума больше нуля.
Выходит, что на входе у нас «Полезный сигнал+шум+шум усилителя», и чем больше усилителей мы поставим в цепи прохождения сигнала, тем больше «собственного шума» мы соберём (как будто нам шума эфира не хватало).
Отсюда делаем вывод, что SNR по входу усилителя всегда меньше SNR по его выходу! Мы можем усиливать сигнал сколь угодно сильно, но он обязательно станет «грязнее» оригинала.
SNR всегда будет ухудшаться при прохождении сигнала через любой микроволновый компонент! это не обязательно усилитель, также любая пассивная или активная обвязка на пути сигнала имеет свой шум.
Вернемся к показателю коэффициента шума — это то, насколько шума добавляет усилитель в полезный сигнал.
Показатель Noise Factor это отношение входящего и выходного SNR.
А Noise Figure (NF), коэффициент шума — это логарифмированное значение Noise Factor. Именно это значение указывают в даташитах малошумящих усилителей.
Рассмотрим пример: при коэффициенте шума NF в 0.6dB, из 100dB SNR полезного сигнала, до приёмника дойдёт только 87.
При NF в 2.0dB дойдёт уже 63 децибела SNR (потеряем 37 децибел сигнала).
Теперь перейдём к LNA (малошумящих усилителей).
Их располагают максимально близко к антенне, и их основной задачей является:
Входные цепи относительно простых УКВ приёмников имеют коэффициент шума в 1 и более децибелл, и если к ним придёт очень слабый сигнал, то собственные шумы приёмника его просто перекроют. Поэтому для дальних связей на УКВ/СВЧ диапазонах применяют LNA с NF 0.6 и менее.
Немного выводов к концу статьи:
1. Пассивных элементов на пути сигнала должно быть как можно меньше, NF пассивного элемента часто принимают равным затуханию в нём (2dB затухания в фильтре это 2dB NF). Поэтому пассивные элементы, в идеальном случае, располагаются только после усиления (кроме случая фильтрации сигнала до LNA для защиты от перегрузки).
2. На первых каскадах нужно усиливать сигнал с минимально возможными шумами.
3. Чем слабее сигнал приходит с антенны, тем важнее сохранить SNR приёмника, и тем выше требования к LNA. При связях через луну используют LNA с NF меньше 0.3
4. Располагать LNA не у антенны, а рядом с приёмником практически лишено смысла, т.к. сигнал уже ослаб настолько, что шумы его перекроют.
Малошумящий усилитель Infineon последнего поколения отвечает сегодняшним требованиям разработки активных антенн
Infineon BGB719N7ESD
FM радиоприемник стал стандартным модулем во многих современных мобильных телефонах, при этом шнур от наушников мобильного телефона выполняет также функцию FM-антенны. Однако, это не идеальное решение, поскольку условия приема могут быть плохими, провод шнура наушников может быть громоздким, а наушники Bluetooth нельзя использовать, поскольку они не имеют физического шнура.
Вместо того, чтобы использовать в качестве антенны провод наушников, можно встроить в мобильный телефон пассивную антенну. Однако данный метод имеет некоторые недостатки. Длина волны FM вещания примерно лежит в диапазоне одного метра. Кроме того, мобильные устройства должны иметь компактные размеры. Это означает, что электрические размеры встроенной антенны часто ограничиваются, что влечет за собой ухудшение усиления антенны и, как следствие, существенную потерю чувствительности приемника.
Эффективным решением указанной проблемы для OEM-производителей, собирающихся встраивать в мобильные телефоны FM радио или ТВ приемники, может быть включение в состав мобильного телефона интегрированного миниатюрного малошумящего усилителя (LNA). Метод «активного согласования», при котором подходящий LNA непосредственно взаимодействует с небольшой встроенной антенной, может значительно улучшить чувствительность приемника.
Высокий входной импеданс, высокий коэффициент усиления, малошумящие усилители, имеющие компактные размеры, и высокая устойчивость к воздействию электростатического заряда (ESD) — вот ключевые факторы в разработке активной антенны. LNA последнего поколения компании Infineon, BGB719N7ESD, отвечает сегодняшним требованиям разработки активных антенн FM и мобильных ТВ приемников. Данный усилитель повышает чувствительность приемника, потребляет меньше энергии и занимает меньше места на печатной плате.
BGB719N7ESD можно легко согласовать с электрически короткими полурамочными антеннами и несимметричными вибраторными антеннами. Один пассивный элемент необходимо разместить на входе LNA. Предоставляются оценочные платы и полный набор документации, чтобы помочь разработчикам быстрее приступить к работе. Данный усилитель уже находится в серийном производстве.
Особенности
Применение