10 Consejos Esenciales para Diseñar Amplificadores de Bajo Ruido (LNA)

Función principal de un diseño amplificador bajo ruido (LNA) es amplificar señales de baja potencia. En micrófono electrónico, señal puede ser voltaje o corriente, variable respecto al tiempo. Como todos amplificadores, LNA es circuito de dos puertos. Consume potencia eléctrica para aumentar amplitud señal entrada → señal salida proporcionalmente mayor.

Artículo discute 10 consideraciones prácticas para diseño LNA.

Diseño LNA: Bajo factor de ruido = mejor rendimiento

Amplificadores bajo ruido vitales en: comunicaciones radio, instrumentos médicos, equipos prueba electrónica.

LNA típico: ganancia potencia 100 (+20 dB). Reduce relación señal/ruido hasta 3 dB (factor <2). Señales bien sobre suelo ruido causan distorsiones intermodulación.

Componentes cadena señal degradan relación señal/ruido (SNR); factor ruido = esta degradación. Valor numérico define rendimiento amplificador. Valores factor ruido menores = mejores resultados LNA. En dB, factor ruido = factor ruido.

Diseño LNA: Necesita tres parámetros para calcular ganancia potencia amplificador

Característica distintiva: ganancia potencia >unidad. Ganancia amplificador = relación potencia salida/entrada. LNA reduce ruido extra (efecto secundario altavoces). Diseñadores deben factorizar: componentes bajo ruido, adaptación impedancia.

Para calcular ganancia potencia, necesita 3 parámetros:

1. Ganancia de potencia del transductor

Beneficio del amplificador vs. fuente directo-conducir misma carga. LNA suele ser conjugado-adaptado a fuente → ganancia transductor = ganancia potencia operativa.

2. Ganancia potencia operativa

Red de dos puertos: potencia disipada en carga. Relación esta potencia disipada / potencia entrada = ganancia potencia operativa.

3. Máxima potencia/ganancia disponible (MAG)

PLM = Mayor potencia media disponible en carga (salida).
PSM = Mayor potencia disponible en fuente.
MAG = relación PLM/PSM.

Valores dependen de: carga, entrada, salida, fuente. Coeficiente reflexión y parámetros S también necesarios para derivar valores.

Antecedentes de línea de transmisión

Línea transmisión = medio conductor que lleva señales largas distancias. Pérdida/distorsión mínima (a menudo despreciable).

Considere impedancia carga ZL e impedancia fuente ZS. Voltaje (o potencia) = suma ondas incidente y reflejada. Viajan direcciones opuestas línea impedancia característica Z0.

Si ZL ≠ Z0, carga refleja parte onda incidente hacia fuente. Proceso continúa bucle indefinido en líneas transmisión sin pérdidas.

Coeficiente de reflexión en adaptación perfecta es cero

Coeficiente reflexión = relación onda incidente/reflejada. Cero cuando impedancia carga = impedancia característica. Número complejo: magnitud y ángulo forma polar.

Si diferencia impedancias grande → gran reflexión. Reflexión proporcional a coeficiente reflexión en LNA.

Coeficientes de reflexión respectivos en red RF

Coeficiente reflexión fuente y carga: términos en redes RF. Equivalentes a impedancia fuente/carga para amplificadores bajo ruido.

En gráficos flujo onda, represente ondas incidente/reflejada. Grafique flujo usando relaciones lineales variables red. Asegura construcción rápida función transferencia entre 2 puntos red.

Nodos = variables. Variables independientes enlazan dependientes por caminos distintos. Valor ganancia adjunto a función camino, relativo a coeficiente reflexión variables concernidas.

Puede categorizar un LNA por sus parámetros S

Parámetros S (Scattering) esenciales en diseños LNA. Describen características red lineal bajo efecto señales eléctricas.

Cargas adaptadas famosas para estudiar parámetros S: facilidad uso altas frecuencias. Analizadores vectoriales modernos calculan amplitud y fase fasores onda.

Propiedades eléctricas componentes a bordo expresables con parámetros S. Componentes: resistencias, inductores, condensadores. Parámetros muestran: ganancia, pérdida retorno, ROS, coeficiente reflexión, estabilidad. Conocer álgebra matriz esencial para entender parámetros S. Siguen leyes álgebra.

Use MAG como criterio cribado preliminar para LNA 2 puertos

MAG = mayor ganancia teórica potencia del dispositivo. Fuente y cargas impedancia conjugadas. MAG propiedad esencial amplificadores RF 2 puertos. Admitancia transferencia inversa cero. Para definición propia, ver arriba.

Red 2 puertos: MAG muestra niveles ganancia disponibles de amplificador bajo ruido. Evalúa si LNA adecuado para tarea. Por eso MAG = criterio cribado primario redes RF, LNA, microondas.

Más ganancia transductor

Término ganancia más común en diseño amplificador RF = ganancia transductor. Definición: relación potencia salida fuente→carga / máxima potencia fuente. Incluye:

1. Resultado adaptación impedancia entrada/salida.
2. Ganancia total amplificador debido a LNA.

Función: reducir matriz circuito siguiente a 2×2. Reducción matriz ayuda medición/cálculo. Pérdidas resistivas entre componentes ocurren en proceso. Ignórelas en cálculo ganancia transductor.

Estabilidad: consideración primaria

Estabilidad (resistencia oscilación) = consideración esencial en diseño LNA. Parámetros útiles para determinar estabilidad amplificadores bajo ruido: parámetros S, redes adaptación, terminaciones.

Tres fenómenos causan inestabilidad:
1. Retroalimentación interna transistor.
2. Circuito externo, entrada transistor externa.
3. Ganancia innecesaria fuera banda frecuencia operación.

Calcule factor estabilidad Rollett (K) con parámetros S dados. Determinante matriz + factor estabilidad determinan estabilidad. Amplificador estable solo si K > 1. Además, valor determinante no debe exceder 1.

Diseño LNA: Valor impedancia más adecuado

Carta Smith necesaria para diseñar redes adaptación impedancia. Líneas transmisión cambian propiedades impedancia usando líneas microstrip (impedancias características variables). Transforman valor cualquier resistencia.

Dos tipos redes adaptación:
1. Red adaptación entrada: Reduce influencia ruido. Adapta entrada transistor a fuente → factor ruido lo más cercano a mínimo posible.
2. Red adaptación salida: Adapta salida transistor a carga → sistema aporta mayor ganancia potencial, maximiza potencia.

Resumen

Guía útil. Consideraciones necesarias para diseño correcto amplificador bajo ruido.

Señal entrada con factor ruido menor → mejor amplificación LNA. Señales bien sobre suelo ruido → distorsión intermodulación. Ganancia transductor, operativa, MAG necesarias para ganancia amplificador. Vitales: parámetros S, estabilidad, coeficientes reflexión. Diferentes valores impedancia → reflexiones onda. Coeficiente reflexión = 0 cuando impedancias coinciden.

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