Amplificador de bajo ruido

Un amplificador de bajo ruido (LNA) es un componente electrónico que amplifica una señal de muy baja potencia sin degradar significativamente su relación señal-ruido (SNR). Cualquier amplificador electrónico aumentará la potencia tanto de la señal como del ruido presente en su entrada, pero el amplificador también introducirá algo de ruido adicional. Los LNA están diseñados para minimizar ese ruido adicional, eligiendo componentes, puntos de operación y topologías de circuitos especiales. Minimizar el ruido adicional debe equilibrarse con otros objetivos de diseño, como la ganancia de potencia y la coincidencia de impedancia.

Los LNA se encuentran en sistemas de comunicaciones por radio, instrumentos médicos y equipos de prueba electrónicos. Un LNA típico puede proporcionar una ganancia de potencia de 100 (20 decibeles (dB)) mientras reduce la SNR en menos de un factor de dos (una figura de ruido (NF) de 3 dB). Aunque los LNA se ocupan principalmente de las señales débiles que están justo por encima del ruido de fondo, también deben tener en cuenta la presencia de señales más grandes que causan distorsión de intermodulación.

Comunicaciones

Las antenas son una fuente común de señales débiles. Una antena exterior suele estar conectada a su receptor mediante una línea de transmisión llamada línea de alimentación. Las pérdidas en la línea de alimentación reducen la relación señal-ruido recibida: una pérdida en la línea de alimentación de 3 dB degrada la relación señal-ruido (SNR) del receptor en 3 dB.

Un ejemplo es una línea de alimentación hecha con 10 pies (3,0 m) de cable coaxial RG-174 y utilizada con un receptor de sistema de posicionamiento global (GPS). La pérdida en esa línea de alimentación es 3,2 dB en 1 GHz; aproximadamente 5 dB en la frecuencia GPS (1,57542 GHz). Esta pérdida de línea de alimentación se puede evitar colocando un LNA en la antena, que proporciona suficiente ganancia para compensar la pérdida.

Un LNA es un componente clave en la parte frontal de un circuito receptor de radio para ayudar a reducir el ruido no deseado en particular. Friis' Las fórmulas para el ruido modelan el ruido en un circuito de recolección de señales de múltiples etapas. En la mayoría de los receptores, la NF general está dominada por las primeras etapas del frente de RF.

Al usar un LNA cerca de la fuente de la señal, el efecto del ruido de las etapas posteriores de la cadena de recepción en el circuito se reduce por la ganancia de la señal creada por el LNA, mientras que el ruido creado por el propio LNA se inyecta directamente en la señal recibida. El LNA potencia las señales deseadas' potencia mientras agrega el menor ruido y distorsión posible. El trabajo realizado por el LNA permite una recuperación óptima de la señal deseada en las últimas etapas del sistema.

Consideraciones de diseño

Los amplificadores de bajo ruido son los componentes básicos de los sistemas e instrumentos de comunicación. Las especificaciones o atributos de LNA más importantes son:

• Gain
• Gráfico de ruido
• Linearity
• Entrada RF máxima

Un buen LNA tiene un NF bajo (por ejemplo, 1 dB), ganancia suficiente para aumentar la señal (por ejemplo, 10 dB) y un punto de intermodulación y compresión lo suficientemente grande (IP3 y P1dB) para hacer el trabajo requerido de él. Otras especificaciones son el ancho de banda operativo del LNA, la planitud de ganancia, la estabilidad, la relación de onda estacionaria (VSWR) de voltaje de entrada y salida.

Para un ruido bajo, se requiere una amplificación alta para el amplificador en la primera etapa. Por lo tanto, a menudo se utilizan transistores de efecto de campo de unión (JFET) y transistores de alta movilidad de electrones (HEMT). Se accionan en un régimen de alta corriente, que no es energéticamente eficiente, pero reduce la cantidad relativa de ruido de disparo. También requiere circuitos de adaptación de impedancia de entrada y salida para circuitos de banda estrecha para mejorar la ganancia (ver Producto de ancho de banda de ganancia).

Ganancia

Los amplificadores necesitan un dispositivo para proporcionar ganancia. En la década de 1940, ese dispositivo era un tubo de vacío, pero ahora suele ser un transistor. El transistor puede ser una de las muchas variedades de transistores bipolares o transistores de efecto de campo. Se pueden usar otros dispositivos que produzcan ganancia, como diodos de túnel.

En términos generales, se utilizan dos categorías de modelos de transistores en el diseño de LNA: los modelos de pequeña señal utilizan modelos de ruido casi lineales y los modelos de gran señal consideran la mezcla no lineal.

La cantidad de ganancia aplicada suele ser un compromiso. Por un lado, la alta ganancia hace fuertes las señales débiles. Por otro lado, una alta ganancia significa señales de mayor nivel, y tales señales de alto nivel con alta ganancia pueden exceder el rango dinámico del amplificador o causar otros tipos de ruido, como distorsión armónica o mezcla no lineal.

Figura de ruido

La figura de ruido ayuda a determinar la eficiencia de un LNA en particular. La idoneidad del LNA para una aplicación en particular generalmente se basa en su figura de ruido. En general, una figura de ruido baja da como resultado una mejor recepción de la señal.

Impedancia

La topología del circuito afecta la impedancia de entrada y salida. En general, la impedancia de la fuente se adapta a la impedancia de entrada porque maximizará la transferencia de energía de la fuente al dispositivo. Si la impedancia de la fuente es baja, entonces una topología de circuito de base común o de puerta común puede ser apropiada. Para una impedancia de fuente media, se puede utilizar una topología de emisor común o de fuente común. Con una fuente de alta resistencia, una topología de colector común o drenaje común puede ser apropiada. Es posible que una coincidencia de impedancia de entrada no produzca la figura de ruido más baja.

Sesgo

Otro problema de diseño es el ruido introducido por las redes de polarización.

Aplicaciones

Los LNA se utilizan en receptores de comunicaciones, como radiotelescopios, teléfonos móviles, receptores GPS, LAN inalámbricas (WiFi) y comunicaciones por satélite.

En un sistema de comunicaciones por satélite, la antena receptora de la estación terrestre utiliza un LNA porque la señal recibida es débil, ya que los satélites tienen una potencia limitada y, por lo tanto, utilizan transmisores de baja potencia. Los satélites también son distantes y sufren pérdida de trayectoria: los satélites de órbita terrestre baja pueden estar a 190 km (120 millas) de distancia; un satélite geosíncrono está a 22 236 millas (35 785 km) de distancia.

El LNA aumenta la señal de la antena para superar las pérdidas de la línea de alimentación entre la antena y el receptor.

Los LNA pueden mejorar el rendimiento de los sistemas receptores de radio definidos por software (SDR). Los SDR suelen estar diseñados para ser de uso general y, por lo tanto, la figura de ruido no está optimizada para ninguna aplicación en particular. Con un LNA y un filtro apropiado, el rendimiento mejora en un rango de frecuencias.