Progetto di un amplificatore a basso rumore

Un amplificatore a basso rumore, conosciuto semplicemente con l'acronimo inglese LNA, è un componente essenziale in tutti i progetti a radio frequenze. Il mercato fornisce dozzine di opzioni economiche per questi componenti, ma qualcuno ha pensato bene di creare il proprio LNA e di mostrarci come si fa. In questo articolo andremo a descrivere e ad approfondire il progetto in questione.

Introduzione

Per prima cosa vediamo cosa è un LNA ed a cosa serve. Un Low Noise Amplifier (LNA) è un componente fondamentale all'interno di un ricevitore a radio frequenze. Spesso opera come blocco iniziale nella catena di elaborazione del segnale di un ricevitore. La funzione primaria di un LNA è quella di aumentare la potenza dei segnali in ingresso senza degradare significativamente il rapporto segnale-rumore (SNR). Per poter fare ciò, gli LNA sono progettati per avere un elevato guadagno, consentendo loro di amplificare sostanzialmente i segnali deboli. Tuttavia, la loro caratteristica distintiva risiede nella bassa figura/cifra di rumore (F), una misura di quanto rumore l'amplificatore introduce al segnale.

In un ricevitore RF, LNA assume la posizione di primo blocco poichè influenza le prestazioni complessive del sistema. La formula di Friis è un'equazione fondamentale utilizzata per comprendere la relazione tra la figura di rumore, il guadagno e gli stadi in cascata in un sistema. La formula descrive la figura di rumore totale F_total di un sistema con stadi in cascata:

F_total = F1 + [ (F2 - 1)/G1 ] + [ (F3 - 1)/G1G2 ] + ... + [ (FN - 1)/G1G2•...•GN ]

dove F1, F2, ... FN sono le figure di rumore dei singoli stadi e G1, G2, ... GN i rispettivi guadagni. La formula di Friis sottolinea alcuni aspetti fondamentali:

Ogni stadio aggiunge il proprio contributo al rumore complessivo della cascata.
Se il guadagno del primo stadio G1 è elevato, esso riduce il contributo di rumore degli stadi successivi.
Allora la cifra di rumore totale dipenderà principalmente dalla cifra di rumore del primo stadio F1.

Quindi, se LNA ha guadagno elevato e bassa figura di rumore, il suo posizionamento come primo blocco nella catena di ricezione è fondamentale.

Il progetto

Andiamo adesso a vedere come è stato realizzato il progetto, partendo dalle specifiche.

Le specifiche

Le intenzioni dell'autore erano quelle di utilizzare il progettato LNA per la ricezione LRPT (Low-Rate Picture Transmission) che fornisce immagini e dati da un satellite meteorologico orbitale direttamente agli utenti finali tramite radio VHF (137 MHz). Le specifiche di progetto per questa applicazione diventano:

figura di rumore F < 1 dB
guadagno G = 15-20 dB
linearità OIP > 30 dBm

Il significato delle prime due specifiche è stato descritto nel paragrafo precedente, mentre la linearità richiede nuove spiegazioni.

Se due toni (segnali a frequenza singola), x1 = sin(ω1t) e x2 = sin(ω2t), vengono dati in ingresso contemporaneamente ad un amplificatore ideale, in uscita si avranno idealmente gli stessi due toni amplificati. Questa proprietà prende il nome di linearità:

y = Ax => se x = x1+x2 allora y = Ax1 + Ax2

Ma gli amplificatori non sono perfetti e mostrano sempre un certo grado di non linearità. Un amplificatore con non linearità del secondo ordine svilupperà armoniche del secondo ordine dei due toni, più la somma e la differenza delle frequenze dei due toni:

y = A(x+x²) => se x = x1+x2 allora y = Ax1 + Ax2 + Ax1² + Ax2² + 2Ax1x2

Una non linearità del terzo ordine svilupperà prodotti di intermodulazione (Ax1²x2 e Ax1x2²) ai lati dei due toni originali, ugualmente distanziati. Se l'ampiezza di entrambi i toni di ingresso viene aumentata di 1 dB, i toni di uscita aumenteranno di 1 dB ed i prodotti di intermodulazione del terzo ordine aumenteranno di 2 dB. Continuando ad aumentare l'ampiezza dei due toni di ingresso si arriverà ad un livello di output teorico in cui tutti e quattro i toni sono alla stessa ampiezza. Questo livello è chiamato intercetta di uscita del terzo ordine, o OIP3. Con la conoscenza dell'OIP3 di un amplificatore, è possibile calcolare il livello dei prodotti di intermodulazione del terzo ordine per un dato livello di ingresso di due segnali. Questo è importante per determinare la quantità di interferenza creata nei canali adiacenti in un sistema di comunicazione quando due o più canali sono attivi contemporaneamente.

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