低ノイズアンプの設計に関する10の実際的な考慮事項

低ノイズアンプ設計の主な機能は、小さな電力信号を増幅することです。電子マイクでは、メッセージは電圧または電流のいずれかであり、w.r.t で可変です。時間。すべてのアンプと同様に、低ノイズ アンプも 2 ポート回路です。入力信号の振幅を増幅するために電力を消費します。これにより、より高い比例出力信号が得られます。

この記事では、LNA 設計で留意すべき 10 の実際的な考慮事項について説明します。

低ノイズ アンプ設計 – 低雑音指数により、LNA のパフォーマンスが向上します。

低ノイズ アンプは、いくつかのデバイスの重要なコンポーネントです。その中には、無線通信、医療機器、電子試験機などがあります。

一般的な低ノイズ アンプは、100 (+20 デシベル) の電力ゲインを提供できます。同時に、S/N 比を最大 3 dB (2 分の 1 未満) 下げることができます。ノイズ フロア レベルをはるかに超える信号は、相互変調歪みを引き起こす可能性があります。

シグナル チェーン コンポーネントは、信号対雑音比を低下させます (SNR)、雑音指数はこの劣化を指します。アンプの性能を表す数値です。雑音指数の値が低いほど、低雑音アンプか​​らの結果が良好であることを意味します。デシベルで言えば、雑音指数は雑音係数と同じです。

低ノイズ アンプの設計 – アンプのパワー ゲインを計算するには 3 つのパラメータが必要です。

アンプ回路の明確な機能は、ユニティ パワー ゲインよりも重要です。簡単に言えば、アンプのゲインは、入力に対する出力電力の比率です。低ノイズ アンプ (LNA) は、スピーカー使用の副作用である余分なノイズを低減します。これを実現するには、設計者は PCB/回路設計でいくつかの要素を考慮に入れる必要があります。その中には、低ノイズ コンポーネントの選択とインピーダンス マッチングが含まれます。

増幅器の電力利得を計算するには、3 つのパラメーターの値が必要です。パラメータは次のとおりです。

1.トランスデューサーのパワーゲイン

ソースを使用して同じ負荷を直接駆動するのではなく、アンプの利点を示しています。多くの場合、低ノイズ アンプは原因と共役整合しています。トランスデューサの電力ゲインは、動作電力のゲインと同じです。

2.動作電力の増加

2 ポート ネットワークでは、電力は負荷に放散されます。入力電力に対するこの消費電力の比率が動作電力利得です。

3.利用可能な最大パワー/ゲイン (MAG)

PLM=負荷 (出力) で利用可能な最大平均電力。

PSM=ソースで最高のパワーが得られます。

MAG は PLM と PSM の比率です。

これらのパラメータの値は、負荷、入力、出力、ソースなどの多くの要因に依存します。上記の値を導出するには、反射係数と S パラメータも必要です。

送電線の背景

伝送線路は、長距離にわたって信号を伝送する導電媒体です。損失やゆがみは最小限です (ほとんどの場合無視できます)。

負荷インピーダンス ZL と電源インピーダンス ZS を考慮してください。電圧（または電力）は、入射波と反射波の合計です。それらは伝送特性インピーダンス線 (Z0) に沿って反対方向に移動します。

ZL が Z0 と等しくない場合、負荷は入射波の一部をソースに向けて反射します。このプロセスは、無損失伝送ラインで無限ループとして続行されます。

インピーダンスが完全に一致した場合の反射係数はゼロ

反射係数は、入射波と反射波の比です。負荷インピーダンスが特性インピーダンスと等しい場合、考慮はゼロです。これは極形式で大きさと角度を持つ複素数です。

2 つのインピーダンスの差が大きい場合、大きな反射が予想されます。反射は、低ノイズ アンプの反射係数に比例します。

RF ネットワークのそれぞれの反射係数

ソース反射係数と負荷反射係数は、RF ネットワークで使用される用語です。これらは、低ノイズ アンプのソースおよび負荷インピーダンスと同じです。 .

波の流れグラフでは、入射波と反射波を表すことができます。ネットワーク変数内の線形関係を使用してフロー グラフをプロットします。これにより、2 つのネットワーク ポイント間の伝達関数が迅速に構築されます。

フロー グラフのノードは、さまざまな変数を表します。独立変数は、異なるパスを介して従属変数とリンクします。ゲイン値は、パス関数に関連付けられます。これは、関連する変数の反射係数に関連しています。

S パラメータで LNA を分類できます

S パラメータまたは散乱パラメータは、低ノイズ アンプの設計に不可欠です。それらは、電気信号の影響下での線形ネットワーク特性を表します。

負荷のマッチングは、S パラメータの研究で有名です。主な理由は、高い信号周波数での使いやすさです。最新のベクトル ネットワーク アナライザーは、波のフェーザーの振幅と位相を計算します。

S パラメータを使用して、いくつかのオンボード コンポーネントの電気的特性を表すことができます。コンポーネントが含まれる場合があります：

1.抵抗器

2.インダクタ

3.コンデンサー

パラメーターは、ゲイン、リターン ロス、VSWR、反射係数、安定性などの特徴を示すことができます。 S パラメータを理解するには、行列代数の理解が不可欠です。パラメータはこれらの代数法則に従います。

2 ポート LNA の予備スクリーニング基準として MAG を使用してください。

MAG は、デバイスから得られる最大の理論上の電力利得を示します。ソース負荷とインピーダンス負荷は共役整合です。 MAG は、2 ポート RF アンプにとって不可欠な特性です。逆転送アドミタンス ゼロ。適切な定義については、上記を参照してください。

2 ポート ネットワークでは、MAG は低ノイズ アンプの利用可能なゲイン レベルを表示できます。このようにして、LNAがタスクに適しているかどうかを評価できます。また、MAG が RF、LNA、およびマイクロ波ネットワークの主要なスクリーニング基準である理由でもあります。

より多くのトランスデューサー ゲイン

RF 増幅器の設計における最も一般的なゲインの用語は、トランスデューサのゲインです。定義によると、電源から負荷への出力電力と最大電源電力の比率。トランスデューサのゲインにはいくつかのコンポーネントが含まれます:

1. インピーダンスマッチングの結果を入出力できます。

2. LNA による総増幅器ゲイン。

このパラメータの機能の 1 つは、次の回路行列を 2×2 に縮小することです。この行列の削減は、測定と計算に役立ちます。回路コンポーネント間の抵抗損失は、プロセス全体で発生します。トランスデューサのゲインの計算中は無視してください。

安定性が第一の考慮事項

安定性、つまり発振に対する耐性は、LNA の設計時に重要な考慮事項です。一部のパラメータは、低ノイズ アンプの安定性を判断するのに役立ちます。これには、S パラメータ、マッチング ネットワーク、終端が含まれます。

アンプの不安定性には、3 つの現象が関係しています。それらは:

1. トランジスタ内部フィードバック。

2. 外付け回路、外付けトランジスタ入力が原因の可能性があります。

3. 動作に必要な周波数帯域外の不必要なゲイン。

Rollett の安定係数 (K ) 指定された S パラメータを使用します。マトリックス決定要因は、安定係数とともに、安定性を決定できます。アンプは K の場合にのみ安定します は 1 より大きいです。さらに、行列式の値は 1 を超えてはなりません。

低ノイズ アンプ設計 – より適切なインピーダンス値

スミス チャートは、マッチング インピーダンス ネットワークを設計するために必要です。伝送線路は、マイクロストリップ ラインを使用してインピーダンス特性を変更します。これらのラインは、さまざまな特性インピーダンスを持っています。また、抵抗器の値を変換することもできます。

マッチング ネットワークには次の 2 種類があります。

1. 入力整合ネットワーク:これらは、ノイズの影響を減らすのに役立ちます。トランジスタ入力をソースに一致させます。このようにして、可能な限り最小のノイズに近いノイズ指数を得ることができます.

2. 出力整合ネットワーク:このネットワークは、トランジスタ出力と負荷を整合させます。したがって、このシステムは潜在的に最高のゲイン最大化パワーを提供します。

まとめ

上記のガイドがお役に立てば幸いです。これらの考慮事項は、低ノイズ アンプを適切に設計するために必要です。

雑音指数が低い入力信号は、LNA を介してより適切に増幅されます。ノイズ フロアをはるかに超える信号は、相互変調歪みに直面します。増幅器の利得を求めるには、トランスデューサの電力利得、動作利得、MAG が必要です。残りの重要なものは、S パラメータ、安定性、および反射係数です。インピーダンスの値が異なると、波の反射が発生する可能性があります。インピーダンスが一致する場合、反射係数は 0 です。

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