مشخصه های تقویت کننده کم نویز

مشخصه های تقویت کننده کم نویز:
LNAها مشخصه هایی مشابه تقویت کننده های معمولی دارند. با این حال، آن ها به گونه ای هستند که بهره بسیار بالایی داشته باشند و نویز کمی به سیگنال ورودی اضافه کنند.

در نتیجه، کاربر باید روی پارامترهای پاسخ نویز این تقویت کننده ها تمرکز کند. پارامترهای مربوط به پاسخ نویز تقویت کننده کم نویز LNA در ادامه بیان شده است.

ضریب نویز و شکل نویز:
«ضریب نویز» یا «فاکتور نویز» (Noise Factor) با نماد F میزان خروجی نویز تقویت کننده را با آنچه که باید در دستگاه بدون نویز ایده آل به دست می آید مقایسه می کند. ضریب نویز هر تقویت کننده همیشه بیشتر از یک است، زیرا اجزای الکترونیکی به طور اجتناب ناپذیری نویز ایجاد می کنند.

یک پارامتر دیگر، مربوط به «شکل نویز» (Noise Figure) یا NF است که همان فاکتور نویز است که به دسی بل، یعنیNF=10log10(F)، تبدیل شده است. یک LNA با کیفیت خوب باید NF نزدیک به0dB (یا F نزدیک به 1) داشته باشد که حد تقویت کننده بدون نویز است.

ضریب نویز به امپدانس منبعی بستگی دارد که سیگنال ورودی را تأمین می کند. به همین دلیل، مقدار آن برای مقدار خاصی از امپدانس منبع تأمین می شود.

چگالی طیف نویز:
«چگالی طیف نویز» (Noise Spectral density) یا NSD به توزیع توان نویز ذاتی تقویت کننده در پهنای باند آن اشاره دارد. این پارامتر، در شکل بالا مربوط بهNampl است، اگرچه معمولاً برای مقایسه بهتر با نویز سیگنال ورودی، به عنوان نویز ورودی معادل (Nampl/G) بیان می شود.

چگالی طیف نویز یا NSD در فرکانس های خاص درnV√Hz یا به طور متوسط در کل پهنای باند تقویت کننده ارائه می شود. در برخی موارد، منحنی های NSD به عنوان تابعی از فرکانس نیز ارائه می شود. به طور تقریبی، LNAهای با کیفیت خوب چگالی طیفی کمتر از10nV√Hz را ارائه می دهند.

پارامترهای دیگری که کاربر هنگام ارزیابی LNA باید بررسی کند عبارتند از:

بهره:
بهره مورد نیاز برای یک کاربرد خاص، به سطح سیگنال های در نظر گرفته شده برای تقویت بستگی دارد. مقادیر بهره در بازه102تا104(40dBتا80dB) اندازه گیری های کم نویز که سیگنال های محدوده میکروولت به ده ها یا صدها میلی ولت تبدیل می شود، غیرمعمول نیست.

برآورد تقریبی بهره مورد نیاز به کاربر توصیه می شود، زیرا بهره های بسیار پایین منجر به تقویت ضعیف می شود در حالی که بهره بیش از حد بالا منجر به اشباع آمپلی فایر خواهد شد.

پهنای باند:
پهنای باند تقویت کننده باید محدوده فرکانس سیگنال در نظر گرفته شده برای اندازه گیری را شامل شود، از جمله در صورت لزوم، عملکرد DC.

آفست:
آفست فقط در مورد تقویت کننده هایی با عملکرد DC تأثیرگذار است. این پارامتر شامل یک سطح DC است که به دلیل محدودیت های ذاتی ادوات نیمه هادی مدرن در خروجی آمپلی فایر ظاهر می شود.

امپدانس ورودی:
امپدانس ورودی تقویت کننده تأثیر قابل توجهی در نویز اضافه شده به سیگنال خروجی دارد. هرچه امپدانس بالاتر باشد، میزان نویز نیز بالاتر خواهد بود. با این حال، هنگامی که منبع سیگنال دارای امپدانس بالایی باشد (مانند ترنسدیوسرهای پیزوالکتریک)، مقاومت کم ورودی می تواند به سطح اندازه گیری ضعیفی منجر شود. در این شرایط، ممکن است یک امپدانس ورودی بالاتر لازم باشد.

در ادامه، مشخصه ها را با جزئیات بیان می کنیم.

بهره تقویت کننده کم نویز:
بهره توان هر تقویت کننده، شامل LNA، به عنوان نسبت توان خروجی (تحویل داده شده به بار) به توان ورودی (هر دو برحسب وات) تعریف می شود و معمولاً باGنمایش داده می شود:

نویز تقویت کننده کم نویز:
نویز، در مدارهای الکترونیکی، به نوسانات کوچک جریان و ولتاژ گفته می شود که به دلیل پیوسته نبودن بار الکتریکی در دستگاه های الکترونیکی ایجاد می شود. «نویز ضربه ای» (Shot Noise)، «نویز حرارتی» (Thermal Noise)، «نویز لرزشی» (Flicker Noise)، «نویز انفجار» (Burst Noise) و «نویز بهمنی» (Avalanche Noise) انواع مختلف نویز هستند که در مدارهای الکترونیکی وجود دارند.

شکل نویز و ضریب نویز رایج ترین معیارهای نویز هستند. ضریب نویز برابر با نسبت سیگنال به نویز (SNR) ورودی به SNR خروجی است:

این نسبت همواره بزرگ تر یا مساوی 1 است. مقدارF برابر با 1 تنها در حالت ایده آل (مدارهای بدون نویز) رخ می دهد. ضریب نویز اغلب برحسب دسی بل (dB) بیان می شود و در این موارد شکل نویز (NF) نامیده می شود. با این حال، این دو اصطلاح اغلب به جای هم به کار برده می شوند.

مصرف توان و بازده تقویت کننده کم نویز:
مصرف توان DC کل کمیت مهمی در طراحی LNA است، به ویژه برای دستگاه های قابل حملی که با باتری کار می کنند. علاوه بر این، در سیستم های مخابراتی فرکانس بسیار بالا، مصرف توان باید با نرخ داده متعادل شود، زیرا نرخ داده بالاتر نیازمند توان بیشتری است. طراحی های LNA به سطوح مصرف توان 1 الی 2 میلی وات می رسد.

توان ورودی DC یک تقویت کننده کم نویز مبتنی بر ماسفت تک ترانزیستوری که جریان را از متبع ولتاژ در دوره زمانیT می کشد، برابر است با:

که در آن، IDC مؤلفه DC شکل موج جریان وi D جریان درین ترانزیستور است. در LNAهای چندترانزیستوری، کل مصرف جریان شامل شامل توان مصرف شده همه قطعات اکتیو در مدار (شامل بایاس) است.

توان تلف شده در ترانزیستور دوقطبی با استفاده از جریان ها و ولتاژهای کلکتور و بیس به دست می آید. از آنجا که جریان بیس I B معمولاً بسیار کوچک تر از جریان کلکتورICاست، توان مصرف شده در مدار را می توان با جایگذاریVCCبه جایVDDدر معادله اخیر تقریب زد.

بازده، سنجش عملکرد یک تقویت کننده است و به ویژه در تقویت کننده های توان کاربرد دارد. با این حال، اغلب در LNAها نیز مورد توجه قرار می گیرد، زیرا نشان داده شده است که معیارهای خطی یک LNA به طور غیرمستقیم به مصرف توان بستگی دارد.

ایزولاسیون معکوس تقویت کننده کم نویز:
با تعریف بهره به عنوان نسبت مقدار توان در پورت خروجی یک تقویت کننده به مقدار توان اعمال شده در پورت ورودی، مفهوم مشابهی را می توان تعریف کرد (اگر توان در پورت خروجی اعمال شود). این را ایزولاسیون معکوس می نامیم.

ایزولاسیون معکوس با همان روش بهره اندازه گیری می شود، اما در این حالت تقویت کنندت از عقب به جلو متصل شده است. در حالی که دست یافتن به مقادیر بالای بهره رو به جلو امری مطلوب است، مقادیر کوچک ایزولاسیون معکوس ضروری هستند.

اگر بهره و ایزولاسیون معکوس، هر دو برحسب dB باشند، آنگاه می توان مفهوم مرتبطی به نام «جهت گیری فعال» (Active Directivity) را تعریف کرد. این اصطلاح به اختلاف بین بهره رو به جلو و ایزولاسیون اشاره دارد و می تواند سنجش مفیدتری از ایزولاسیون معکوس بین پورت های ورودی و خروجی تقویت کننده باشد.

تطبیق امپدانس تقویت کننده کم نویز:
تقویت کننده کم نویز باید بین آنتن و به طور معمول، بین مدار دمدولاسیون با حداقل افت احتمالی قرار گیرد. تنها راه تحقق این امر، تطبیق دقیق امپدانس، یعنی کنترل امپدانس های ورودی و خروجی تقویت کننده است که توسط منبع و بار مشاهده می شود.

به طور معمول، تطبیق یک تقویت کننده عمومی برای اطمینان از اینکه حداکثر انتقال توان بین تقویت کننده و بار اتفاق افتد، انجام می شود.

در LNAها، تطبیق همچنین به منظور کاهش اتلاف انرژی و تخریب SNR (یا شکل نویز) به کار می رود. در طراحی LNA، به دلیل نیاز به کاهش حداقل سطح سیگنال قابل تشخیص، همان طور که قبلاً مشاهده شد، از آن به عنوان تطبیق همزمان توان و نویز یاد می شود.

پهنای باند و تختی بهره تقویت کننده کم نویز:
بسیاری از LNAها برای کار در محدوده های فرکانسی وسیع مشخص شده اند. پهنای باند LNA یا هر تقویت کننده دیگری به عنوان اختلاف بین فرکانس بالایf2و فرکانس پایینیf1 تعریف می شود، هر دو فرکانس نقاطی را نشان می دهند که مقدار سیگنال عبوری از تقویت کننده معمولاً 3 دسی بل زیر (نیمی از) حداکثر میزان بهره است، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

در سیستم های موج میلی متری، پهنای باند گاهی اوقات برحسب درصد مشخص می شود که نسبت (درصدی) از پهنای باند مطلق به بالاترین فرکانس کاری سیستم است. در فرکانس 60 گیگاهرتز، ٪1 مربوط به پهنای باند 600 مگاهرتز است.

جنبه مهم تقویت کننده، که با پهنای باند ارتباط نزدیکی دارد، مسطح شدن بهره در پهنای باند تعیین شده است. این موضوع که به طور معمول با دسی بل مشخص می شود، به سادگی، تغییر بهره روی محدوده عملیاتی مطلوب است و معمولاً به عنوان ریپل (Ripple) شناخته می شود. این مفهوم در شکل بالا نیز نشان داده شده است.

پهنای باند نویز مفهومی است که برای ساده سازی محاسبات نویز معرفی شده است. این مفهوم به یک باند عبور معادل اشاره دارد که همان مقدار از توان نویز را که برای سیستم واقعی در نظر گرفته شده است، عبور می دهد. پهنای باند نویز تقریباً برابر با پهنای باند 3 دسی بل سیستم است.

افزایش پهنای باند LNA موجب افزایش قابلیت استفاده مجدد آن در کاربردهای متعدد می شود. برای اینکه تقویت کننده یک تقویت کننده باند پهن واقعی باشد، بهره باید ثابت بماند و تطبیق باید در کل باند مورد نظر ثابت باشد. با افزایش پهنای باند مورد نیاز، این امر به طور فزاینده ای دشوار می شود.

حساسیت تقویت کننده کم نویز:
حساسیت به عنوان کوچک ترین سیگنالی تعریف می شود که تقویت کننده می تواند آن را با اطمینان تشخیص دهد.

به طور معمول، حساسیت به عنوان قدرت کوچک ترین سیگنال در ورودی شبکه تعریف می شود که باعث می شود توان سیگنال خروجی M برابر توان نویز خروجی شود. M معمولاًM=1 تعیین می شود.

قابلیت انتخاب تقویت کننده کم نویز:
قابلیت انتخاب یا گزینندگی، توانایی مدار برای انتخاب سیگنال مورد نظر در یک فرکانس معین و رد سیگنال های تداخل است. به طور معمول، انتخاب یک سیگنال صحیح توسط فیلتر میان گذر قرار داده شده بین آنتن و LNA حاصل می شود، اما در موارد خاص، انتخاب توسط LNA باند باریک حاصل می شود که در این صورت، انتخاب LNA مهم خواهد شد.

خطی بودن تقویت کننده کم نویز:
قابلیت خطی بودن یکی از نیازهای اصلی هر تقویت کننده و به طور خاص هر LNA است. رفتار غیرخطی اغلب عملکرد سیستم را کاهش می دهد و منجر به پدیده ای به نام اعوجاج می شود.

اعوجاج معمولاً با هارمونیک فرکانس حامل، اعوجاج مدولاسیون (IMD) یا فشرده سازی به وجود می آید. تکنیک های خطی سازی تقویت کننده شامل تکنیک های فیدبک، تکنیک های فیدفوروارد، حذف هارمونیک، بایاس بهینه و… است.