تقویت کننده با نویز کم (LNA)
تقویت‌کننده‌های کم نویز یا LNA، المان هایی هستند که در گیرنده ها به منظور تقویت سیگنال ضعیف دریافتی مورد استفاده می شوند. سیگنال های دریافتی در سیستم های مخابراتی به دلیل فواصل زیاد، توان ارسالی پایین و محیط انتشار ضعیف و دارای نویز هستند و لذا به منظور تجزیه تحلیل آن ها لازم است ابتدا بدون افزایش نویز، سیگنال اصلی تقویت شود. هنگام سروکار داشتن با منابع ضعیف، عملکرد سیستم اندازه‌گیری تحت تسلط بهره و نویز ایجاد شده در مرحله اول است. بنابراین، انتخاب یک LNA مناسب برای عملکرد خوب هر سیستم ضروری است.
مشخصات LNA
LNAها دارای مشخصات مشابه تقویت کننده های معمولی هستند. با این حال به نحوی طراحی می شوند که بتوانند عملکرد بهتری داشته باشند و نویز کمی به سیگنال ورودی اضافه کنند، بنابراین در طراحی باید روی پارامترهای مربوط به پاسخ نویز تقویت کننده تمرکز شود. در ادامه برخی از مهم ترین پارامترهای ارزیابی عملکرد LNA ارائه داده شده است.
▪ ضریب نویز (F) و عدد نویز (NF) :
ضریب نویز، خروجی نویز یک تقویت کننده را با دستگاهی ایده آل بدون نویز مقایسه می کند. ضریب نویز هر تقویت کننده ای همیشه بزرگتر از 1 است زیرا قطعات الکترونیکی به طور اجتناب ناپذیر نویز ایجاد می کنند. یک پارامتر مرتبط، عدد نویز است، که ضریب نویز تبدیل شده به برحسب دسی بل است، یعنی 𝑁𝐹 = 10 · 𝑙𝑜𝑔10(𝐹). یک LNA با کیفیت خوب باید NF نزدیک به 0dB (یا F نزدیک به 1) ارائه دهد که حد یک تقویت کننده بدون نویز است. ضریب نویز به امپدانس منبعی که سیگنال ورودی را فراهم می دهد بستگی دارد. به همین دلیل، مقدار آن برای مقدار خاصی از امپدانس منبع ارائه می شود.
▪ چگالی طیفی نویز: چگالی طیفی نویز یک LNA به مقدار توان نویز موجود در واحد پهنای باند در ورودی یا خروجی تقویت کننده اشاره دارد. معمولاً در واحدهای dBm/Hz یا dBm/Hz/1/2 بیان می شود که به ترتیب سطح توان نویز را در پهنای باند 1 هرتز یا پهنای باند 1/2 هرتز نشان می دهد.
▪ بهره: بهره مورد نیاز برای یک برنامه خاص به سطوح سیگنال هایی که برای تقویت در نظر گرفته شده است بستگی دارد. در طراحی باید در نظر داشت که بهره‌های بسیار کم منجر به تقویت ضعیف می‌شوند در حالی که بهره‌های بسیار زیاد منجر به اشباع تقویت‌کننده می‌شوند.
▪ پهنای باند: پهنای باند تقویت کننده باید محدوده فرکانس های سیگنال مورد نظر برای اندازه گیری، از جمله عملکرد DC در صورت نیاز را پوشش دهد.
▪ آفست: این پارامتر فقط بر تقویت کننده هایی با عملکرد DC تأثیر می گذارد که یک سطح DC است و به دلیل محدودیت های ذاتی هر دستگاه نیمه هادی مدرن در خروجی تقویت کننده ظاهر می شود.
▪ امپدانس ورودی: امپدانس ورودی تقویت کننده تأثیر قابل توجهی بر نویز اضافه شده به سیگنال خروجی دارد. هر چه امپدانس بیشتر باشد، سطح نویز بالاتر است. با این حال، امپدانس ورودی پایین می‌تواند، زمانی که منبع سیگنال پایین دارای امپدانس بالا باشد، مانند مورد مبدل‌های پیزوالکتریک منجر به سطوح اندازه‌گیری ضعیف شود. در این شرایط، ممکن است امپدانس ورودی بالاتر لازم باشد.
نقش LNA در سیستم مخابراتی
تقویت کننده‌های فرکانس رادیویی (RF) برای هر سیستم بی‌سیم ضروری هستند، زیرا به عنوان تقویت‌کننده توان در فرستنده‌ها و به عنوان تقویت کننده کم نویز (LNA) در گیرنده‌ها عمل می‌کنند. با توجه به اینکه ارتباطات بی‌سیم با نویز بیش از حدی مواجه می‌شوند که عمدتاً از طریق عبور موج الکترومغناطیسی در هوا تولید می‌شود، LNA می‌تواند با تقویت سیگنال بسیار با حداقل اعوجاج در ورودی گیرنده، بر این مشکل غلبه کند.LNA بعد از یک فیلتر باندگذر قرار می‌گیرد تا انتخاب‌پذیری دریافت را بهبود بخشد و سیگنال‌های اضافی خارج از محدوده فرکانسی را محدود کند. چالش اصلی یک طراحی LNA ایجاد مصالحه بین عملکردهای زیر است:
- بهره بالا
- مصرف توان کم
- حداقل میزان نویز
- تطبیق خوب در ورودی و خروجی
- سیستم پایدار
- خطی بودن در باند عملیاتی آن
الزامات طراحی LNA
دستیابی به الزامات بهره بالا، مصرف جریان کم و میزان نویز کم، وظایف چالش برانگیزی برای ایجاد تعادل بین مبادلات طراحی کلی هستند. در شکل برخی از پارامترهای LNA های مختلف نشان داده شده است که عبارت اند از عدد نویز (Noise Figure)، جریان تغذیه (Supply current) و بهره (Gain).
ساختار داخلی LNA
LNA از ترکیبی عناصر الکترونیکی مانند ترانزیستورها، مقاومت‌ها، خازن‌ها و کانکتورها تشکیل شده‌اند. ترانزیستورها به عنوان المان اصلی تقویت سیگنال‌ها به‌کار می‌روند، در حالی که مقاومت‌ها و خازن‌ها برای تنظیم و فیلتر کردن سیگنال‌ها به کار می‌روند. کانکتورها نیز برای اتصال LNA به سایر قسمت‌های سیستم و اتصال به آنتن‌ها و دیگر عناصر فرستنده و گیرنده به‌کار می‌روند. در کل، LNA با ترکیب این عناصر به عنوان یک تقویت کننده با کمترین میزان نویز و افزایش حساسیت دریافت سیگنال‌ها عمل می‌کند.
نمونه تجاری
KU LNA 500590 A از KUHNE Electronic یک تقویت کننده کم نویز باند C است که از 5 تا 5.9 گیگاهرتز کار می کند. بهره 28 دسی بل و P1dB 19 دسی بل دارد. این تقویت کننده دارای افت برگشت ورودی بیش از 11 دسی بل و افت برگشت خروجی بیش از 9 دسی بل است. تقویت کننده با حفاظت استاتیک (ESD) در ورودی پیش تقویت کننده موجود است و در یک ماژول 50 x 30 x 17 میلی متر با اتصالات SMA (F) موجود است. این برای سیستم های پخش دیجیتال (DVB-T، DVB-S)، سیستم های COFDM با استفاده از انواع مدولاسیون QPSK، QAM و برنامه های سیستم انتقال آنالوگ و دیجیتال مناسب است.
