Madala müraga eelvõimendi

Madala müraga eelvõimendi ehk Low-noise amplifier (LNA) on elektrooniline võimendi, mida kasutatakse väga nõrkade signaalide võimendamiseks (näiteks signaalid, mis on antenniga vastu võetud). Üldiselt pannakse LNA vastuvõtuahelas antennile väga lähedale, et kaod ülekandeliinis antennist vastuvõtjasse oleksid võimalikult väiksed. Eelkõige kasutatakse sellist võimendit mikrolaine süsteemides – GPS, radarid, mobiilside – sest koaksiaalkaabel on kõrgetel sagedustel väga suure kaoga. Näiteks 10% kadu paarimeetrises kaablis tekitaks 10% vähenemise signaali-müra suhtes (SNR).

Vastuvõtja ahela osa, kus on näha LNA asetus ahela eesotsas. Antud juhul on enne LNA-d eelselektiivsuse tagamiseks ka filter

Mürategur (noise figure) näitab palju on vastuvõtjaahelas võimendite tekitatud aditiivset müra. Signaalide edastamisel ja vastuvõtmisel tekib alati müra, aga kui see on liiga suur, võib signaal jääda müra varju. Näiteks radarsüsteemides vähendab müra radari efektiivset tegevuskaugust. Süsteemide parimaks tööks peaksid nende projekteerijad optimeerima signaali-müra suhet nii, et saavutataks suurim võimalik tulemus. Mürategur NF on mürategur (noise factor) F logaritmilistes ühikutes (detsibellides) [(NF = 10•log (F)], kus F on defineeritud kui SNR_i/SNR_o, ehk SNR (Signal-to-noise ratio – signaali-müra suhe) sisendi ja SNR väljundi suhe. LNA on vastuvõtjas üks põhilisi komponente, mis paigutatakse vastuvõtja ahelas võimalikult sisendipoolsesse otsa. Lähtudes Friis’i kaskaadi mürateguri valemist

F = F₁ + (F₂ – 1)/G₁ + (F₃ – 1)/ (G₁×G₂) + …

on näha, et kogu raadiovastuvõtja mürateguri väärtus F sõltub enamjaolt esimesest astmest, just seepärast peab esimene võimendi olema väga väikese müraga. Kogu mürategurist saab välja arvutada vastuvõtja mürateguri. Terve vastuvõtja mürateguri määrab seega peamiselt LNA.

F_vastuvõtja=F_LNA+(F_kogu-1)/G_LNA , kus F_{kogu on} kogu hilisemate astmete mürategur.

Kuna vastuvõetav signaal on üldiselt väga nõrk, on oluline seda võimendada soovitud tasemele, lisades nii vähe müra kui võimalik. See on oluline seepärast, et enamus signaalivõimendusest toimub hiljem ning seetõttu peab LNA võimendus olema piisavalt suur, et signaal oleks võimalik edasi töödelda (nt 10 .. 30 dB). Hea LNA on väga väikse mürateguriga NF=0,5 .. 1,5 dB ning suure lineaarsuse ja kõrge 1 dB kompressioonipunktiga (väljundvõimsus, kus võimendus on langenud 1 dB võrra). LNA on aga suhteliselt suure energiatarbega.

LNA ehitus

Väikese müraga eelvõimendi on kommunikatsioonisüsteemi oluline osa. LNA tähtsaimad 3 parameetrit on:

• võimendus
• mürategur
• lineaarsus

LNA komponentide väärtused sõltuvad enamasti kasutatava transistori S-parameetritest. LNA disainimiseks on vajalikud järgmised etapid.

Disain

LNA arvutamise võib jaotada kahte ossa. Esimesena tuleb paika panna alalisvoolu tööpunkt ning siis arvutada koormus. Seejärel tuleb arvutada sobitus LNA sisendis ja väljundis, mis on enamasti Z=50 Ω.

Stabiilsuskontroll

Ükskõik mis võimendit disainides on oluline kontrollida seadme stabiilsust, vastasel juhul võib võimendi hakata ostsilleerima. Stabiilsuse kontrollimiseks tuleb arvutada Rollet’i või Linvill’i stabiilsusfaktor, kasutades transistori s-parameetreid LNA töösagedusel. Esimesel juhul peab leitav väärtus K>1 ning |∆|<1. Teisel juhul peab C<1.

Stabiilsuse tõstmine

Stabiilsuse parandamiseks on mitmeid viise. Võimalus on lisada ahelasse jadamisi takisteid ning allika induktiivsust. LNA puhul peab seda tehnikat kasutades jälgima, et müra liiga suureks ei läheks, sest lisatakistus tekitab soojusmüra suurendades omakorda võimendi mürategurit. Alternatiivina võib kasutada induktiivsust, kuna ideaalsel induktiivpoolil puudub takistus (reaalsel tegelikult on) ja ei tekita soojuslikku müra. See tõstab võimendi stabiilsust vähendades võimendust marginaalselt.

Kasutus

LNA-d kasutatakse kõikvõimalikes sidesüsteemides nagu näiteks mobiiltelefonid, GPS-vastuvõtjad, juhtmeta telefonid, traadita kohtvõrgud, satelliitside ISM Band (Industry, Scientific and Medical Band) sagedusribas jne.

Satelliit

Satelliitsidesüsteemid on hea näide, kus LNA on maapealses vastuvõtjas väga vajalik. Satelliidilt tulev signaal on mitmel põhjusel väga nõrk. Vastuvõetud signaal on tavaliselt ainult natukene tugevam taustmürast. Samuti on satelliitidel väga piiratud energiaressursid ning seepärast kasutatakse väikese võimsusega saatjaid. Signaalid hajuvad seepärast, et tehiskaaslased asuvad vastuvõtjast kaugel orbiidil – lähimad 200 km ja kaugeimad, geostatsionaarsed, 35 786 km kaugusel. Suurem vastuvõtuantenn aitaks nõrka signaali vastu võtta, aga tihti on LNA lisamine ahelasse palju odavam variant. LNA võimendab signaali piisavalt, et tasa teha kadu liinis (antennist õues vastuvõtjani toas). Paljudes satelliitsidevastuvõtjates on eelvõimendil integreeritud madala müratasemega plokkmuundur (LNB – Low-Noise Block downconverter), mis muudab sageduse palju madalamaks. Seda seetõttu, et kõrgetel sagedustel (nt 11 GHz) on koaksiaalkaablis kaod oluliselt suuremad kui madalamatel (1 GHz).

Näidisparameetrid

MAX 2640 parameetrid:

Toitepinge

LNA-d töötavad tavaliselt vahemikus 2–10 V. MAX 2640 tööpinge jääb vahemikku +2,7 ... +5,5 V.

Toitevool

LNA vajab voolu, mis jääb mA ümbrusse. Toitevool sõltub paljuski seadme kasutusvaldkonnast ja ehitusest. MAX 2640 vajab toitevoolu umbes 6 mA.

Töösagedus

Sagedusvahemik, millel LNA töötab,on väga lai ja on konkreetsel seadmel spetsiifiline olenevalt selle kasutusvaldkonnast. Võimalikud vahemikud jäävad 500 kHz ja 50 GHz vahele. MAX 2640 töötab vahemikus 300–1500 MHz.

Töötemperatuur

LNA nagu teisedki pooljuhtseadmed on mõeldud kasutamiseks teatud temperatuuril. Seadme parimaks toimimiseks peaks selle keskkonna temperatuuri hoidma konstantsena. LNA puhul on see vahemik tavaliselt −30 kuni +50 kraadi Celsiuse järgi. MAX 2640 on mõeldud kasutamiseks eriti laias vahemikus −40 kuni +125 kraadi.

Mürategur

Mürategur on samuti üks olulistest teguritest, mis määrab LNA tõhususe. Näiteks on väga madal mürategur nõutud satelliitsides. MAX 2640 puhul jääb see vahemikku 0,9–1,5 dB ja sõltub töösagedusest:

NF [dB]	Sagedus [MHz]
0,5	900
1,2	1575
1,3	1900
1,5	2450

Mida väiksem on mürategur, seda parem on signaali kvaliteet.

Suur võimendus

Väikse mürateguri korral peab LNA-l olema piisav võimendus, et signaali saaks järgmistes segmentides töödelda. Kui LNA-l pole head võimendust, võib võimendi enda müra saada võimendatud ja mõjutada signaali. Nagu mürategurgi, sõltub LNA võimendus sagedusest.

Võimendus [dB]	Sagedus [MHz]
15,1	900
15,7	1575
14,4	1900
13,5	2450