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低噪声放大器设计的 10 个实际考虑因素

  • 发表时间:2021-11-16 08:11:15
  • 来源:本站
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低噪声放大器设计的主要功能是放大小功率信号。在电子麦克风中,消息可以是电压或电流,可变的写入时间。与所有放大器一样,低噪声放大器也是一个二端口电路。它消耗电能来增强输入信号的幅度。它导致更高的比例输出信号。

本文讨论了 LNA 设计中需要牢记的十个实际注意事项。

低噪声放大器设计——低噪声系数提供更好的 LNA 性能。

低噪声放大器是多种设备中的重要组件。其中一些是无线电通信、医疗仪器和电子测试机。

典型的低噪声放大器可提供 100(+20 分贝)的功率增益。同时,它可以将信噪比降低高达 3 dB(小于 2 倍)。远高于本底噪声水平的信号会导致互调失真。

信号链组件会降低 信噪比 (SNR),噪声系数就是指这种降低。它是一个定义放大器性能的数值。较低的噪声系数值意味着来自低噪声放大器的结果更好。在分贝方面,噪声系数与噪声因子相同。

低噪声放大器设计——您需要三个参数来计算放大器功率增益。

放大器电路中的一个显着特征比单位功率增益更重要。简单来说,放大器的增益是其输出功率与输入功率之比。低噪声放大器 (LNA) 减少了额外的噪声——这是使用扬声器的副作用。为了实现这一点,设计人员需要在他们的 PCB/电路设计中考虑一些因素其中一些包括选择低噪声组件和阻抗匹配。

为了计算放大器功率增益,您将需要 3 个参数的值。参数是:

1. 换能器功率增益

它指出了放大器的好处,而不是使用源直接驱动相同的负载。低噪声放大器通常与原因共轭匹配。换能器功率增益则与操作功率增益相同。

2. 工作功率增益

在双端口网络中,功率耗散到负载中。这种耗散功率与输入功率的比值就是工作功率增益。

3. 最大可用功率/增益 (MAG)

PLM= 负载(输出)时的最高可用平均功率。

PSM= 源头可用的最高功率。

MAG 是 PLM 和 PSM 的比率。

这些参数的值取决于许多因素,例如负载、输入、输出和源。还需要反射系数和 S 参数来导出上述值。

计算放大器功率增益.jpg

传输线背景

传输线是一种可以远距离传输信号的导电介质。损失或失真最小(通常可以忽略不计)。

考虑负载阻抗 ZL 和源阻抗 ZS。电压(或功率)是入射波和反射波的总和。它们沿传输特性阻抗线 (Z0) 以相反的方向行进。

如果 ZL 不等于 Z0,负载会向源反射一些入射波。该过程在无损传输线中作为无限循环进行。

信号传输系统.jpg

完美阻抗匹配情况下的反射系数为零

反射系数是入射波与反射波的比值。当负载阻抗等于特征阻抗时,考虑为零。它是一个复数,具有极坐标形式的大小和角度。

如果两个阻抗之间的差异很大,我们可以预期会有很大程度的反射。反射与低噪声放大器中的反射系数成正比。

在匹配阻抗条件下不发生反射.jpg

射频网络中的各个反射系数

源反射系数和负载反射系数是射频网络中使用的术语。它们与低噪声放大器的源阻抗和负载阻抗相同 

在波流图中,您可以表示入射波和反射波。使用网络变量内的线性关系绘制流图。它确保快速构建 2 个网络点之间的传递函数。

流图中的节点代表不同的变量。自变量通过不同的路径与依赖变量联系起来。增益值附加在路径函数上,它与相关变量的反射系数有关。

反射系数是表示阻抗的常用方法.jpg

您可以通过其 S 参数对 LNA 进行分类

S 参数或散射参数在低噪声放大器设计中是必不可少的。它们描述了电信号作用下的线性网络特性。

匹配负载以研究 S 参数而闻名。主要原因是易于使用高信号频率。现代矢量网络分析仪计算波相量的幅度和相位。

您可以使用 S 参数表示多个板载组件的电气特性。组件可能包括:

1. 电阻

2.电感

3.电容器

参数可以显示增益、回波损耗、VSWR、反射系数或稳定性等特性。掌握矩阵代数对于理解 S 参数至关重要。参数遵循这些代数定律。

S 参数将描述您的放大器属性.jpg

使用 MAG 作为 2 端口 LNA 的初步筛选标准。

MAG 表示您可以从设备获得的最高理论功率增益。源和阻抗负载是共轭匹配的。MAG 是 2 端口射频放大器的基本属性。反向转移导纳为零。对于正确的定义,请看上面。

在双端口网络中,MAG 可以显示低噪声放大器的可用增益水平。这样,我们就可以评估 LNA 是否适合该任务。这也是为什么 MAG 是 RF、LNA 和微波网络的主要筛选标准的原因。

更多传感器增益

RF 放大器设计中最常见的增益项是换能器增益。根据定义,从电源到负载的输出功率与最高电源功率之间的比率。换能器增益包括几个组成部分:

1.我们可以输入输出阻抗匹配的结果。

2. LNA 导致的总放大器增益。

该参数的作用之一是将以下电路矩阵缩减为 2×2。这种矩阵约简有助于测量和计算,电路元件之间的电阻损耗会在整个过程中发生。在计算换能器增益时忽略它们。

传感器增益是典型的 .jpg低噪声放大器设计低噪声放大器设计低噪声放大器设计低噪声放大器设计

稳定性是首要考虑因素

在 LNA 设计过程中,稳定性或抗振荡性是一个重要的考虑因素。一些参数可用于确定低噪声放大器的稳定性。它们包括 S 参数、匹配网络和终端。

三种现象是造成放大器不稳定的原因。他们是:

1. 晶体管内部反馈。

2. 原因可能是外接电路,外接三极管输入。

3. 在必要的操作频带之外的不必要的增益。

如果您使用给定的 S 参数计算 Rollett 的稳定性因子 ( K )会有所帮助矩阵行列式与稳定性因子一起可以确定稳定性。只有当K 大于 1时,放大器才稳定 。此外,行列式值不得超过 1。

 需要稳定均匀的信号输出.jpg

低噪声放大器设计——更合适的阻抗值

史密斯圆图是设计匹配阻抗网络所必需的。传输线使用微带线改变阻抗特性,这些线具有不同的特性阻抗。它们还可以转换任何电阻器的值。

有两种类型的匹配网络:

1. 输入匹配网络:这些对于减少噪声影响很有用。它匹配晶体管输入到源。这样,我们可以获得尽可能接近最小噪声的噪声系数。

2. 输出匹配网络:该网络将晶体管输出与负载匹配。因此,该系统提供了最高的潜在增益最大化功率。

概括

我们希望上述指南有用。这些考虑对于正确设计低噪声放大器是必要的。

具有较低噪声系数的输入信号将通过 LNA 获得更好的放大。远高于本底噪声的信号将面临互调失真。传感器功率增益、操作增益、MAG 是找到放大器增益所必需的。其余重要的是 S 参数、稳定性和反射系数。不同的阻抗值会导致波反射。当阻抗匹配时,反射系数为 0。

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