Малошумящие усилители (МШУ)

Малошумящие усилители (МШУ) находят применение в различной радиоэлектронной аппаратуре в диапазоне частот от постоянного тока до десятков ГГц.

В настоящее время МШУ широко используются во входных каскадах систем сбора и обработки аналоговых сигналов, радиоприёмных устройств различных частотных диапазонов, системах спутниковой и сотовой связи, а также радиолокационных устройствах.

Благодаря экстремально низкому собственному коэффициенту шума МШУ позволяют усиливать и обрабатывать сигналы, находящиеся на уровне атмосферных помех.

Варианты топологии МШУ

В последнее время была проделана большая работа в области проектирования малошумящих усилителей. Результатом явилась разработка и внедрение усилителей, основанных на различных топологиях. Далее будет проведен краткий обзор основных конструктивных топологий малошумящих усилителей, представленных в литературе, и так или иначе описаны их преимущества и недостатки. Несмотря на то, что обобщить классификацию топологий малошумящих усилителей довольно сложно, существующие топологии МШУ разделены на три основные категории: однотранзисторные, многокаскадные и каскодные. Эти топологии используются как в несимметричных, так и в дифференциальных МШУ. Таким образом, сначала дается краткое описание несимметричных и дифференциальных малошумящих усилителей, за которым следует обсуждение различных топологий. Затем рассматриваются широкополосные и многодиапазонные МШУ, поскольку в последние годы они приобрели большое значение в связи с развитием мультистандартных диапазонов частот для мобильной связи и передачи данных.

Несимметричные и дифференциальные МШУ

Блок-схемы несимметричных и дифференциальных усилителей представлены на рис. 1.

Рис 1. Блок-схемы несимметричного и дифференциального МШУ

Как следует из названия, несимметричный усилитель имеет только один уровень входного и выходного сигналов, и все напряжения отсчитываются от общего (земляного) потенциала. Несимметричный усилитель принимает входной сигнал и подает его усиленную копию на выход, с учетом коэффициента усиления усилителя. С другой стороны, в идеале дифференциальный усилитель имеет два уровня напряжения входного сигнала, и вместо усиления входных напряжений он усиливает разность между ними. Существует два параметра усиления, связанных с дифференциальным МШУ: коэффициент усиления дифференциального сигнала и коэффициент усиления синфазного сигнала. Всегда желательно минимизировать коэффициент усиления синфазного сигнала при максимальном увеличении коэффициента усиления дифференциального сигнала. Коэффициент полезного действия, определяющий производительность дифференциального усилителя, известен как коэффициент подавления синфазного сигнала, который представляет собой просто отношение между коэффициентом усиления дифференциального сигнала и коэффициентом усиления синфазного сигнала. В идеальном или идеально симметричном дифференциальном усилителе коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю, и, как следствие, коэффициент подавления синфазного сигнала бесконечен. Дифференциальные малошумящие усилители, как правило, реализуются путем дублирования несимметричной схемы МШУ; в результате они могут быть проанализированы и объяснены с использованием их несимметричных аналогов в качестве отправной точки [19, 20].

Однотранзисторные МШУ

Имеется ряд топологий МШУ в которых используется один транзистор. К основным особенностям такого типа усилителей можно отнести малую занимаемую на кристалле площадь, низкое энергопотребление и напряжение питания [21].

Благодаря использованию одного транзистора значительно упрощается анализ шума в таких усилителях, но в то же время у них очень низкая значительно упрощается (высокий коэффициент влияния выхода на вход). Более того, поскольку цепи согласования входного и выходного сопротивлений взаимозависимы, довольно сложно найти решение, при котором можно было бы получить как наименьший уровень шума на входе, так и оптимальную передачу мощности на выходе усилителя [21]. На рис. 2 показаны различные конфигурации наиболее часто используемых МШУ на основе одного транзистора.

Рис. 2. Основные типы однотранзисторных МШУ [21]

Многокаскадные МШУ

Общепринятой практикой является проектирование многокаскадных МШУ для удовлетворения постоянно растущих требований к высокому коэффициенту усиления. Простейшей реализацией многокаскадного МШУ может быть входной каскад с общим эмиттером, объединенный каскадом из одного или нескольких аналогичных каскадов. Помимо наличия в многоступенчатом МШУ внутренних цепей для хорошего согласования входного и выходного сопротивлений, чтобы обеспечить безусловную стабильность усилителя, чрезвычайно важно также правильно спроектировать цепи согласования между каскадами [22]. Для достижения хорошей архитектуры многокаскадного МШУ важно спроектировать первый каскад с минимальным уровнем шума и использовать фильтр нижних частот для выходного каскаде для достижения улучшенной линейности. Кроме того, использование входных и межкаскадных полосовых фильтров обеспечивает хорошее согласование и формирование коэффициента усиления, что повышает стабильность таких усилителей [23]. Недостатками подобных архитектур являются то, что они занимают большую площадь кристалла и потребляют высокую мощность, поскольку каждый транзистор в схеме должен иметь независимую цепь смещения.

Каскодные МШУ

На сегодняшний день при проектировании МШУ наиболее широко используется каскодная топология, которая считается самой современной. В ней устранены недостатки МШУ на основе одного транзистора, поскольку каскодное включение транзистора делает входную и выходную согласующие цепи независимыми друг от друга [21]. Кроме того, в каскодном включении транзистор подавляется емкость Миллера, что приводит к улучшенной обратной изоляции. Кроме того, а каскодная топология обеспечивает более высокий коэффициент усиления за счет более высокого выходного сопротивления по сравнению с конфигурациями на основе одного транзистора. Наиболее простой каскодной топологией является усилитель с общим истоком/эмиттером, проектируемый с использованием вырожденной катушки индуктивности. На рис. 3 представлены различные варианты каскодной топологии, которые широко используются на протяжении многих лет. Когда требуется низкое напряжение питания и преимущества каскодной топологии, используется совмещенная каскодная конфигурация, поскольку в ней оба транзистора смещены так, что напряжение питания необходимо для смещения только одного транзистора [21]. Каскодные МШУ с резистивной обратной связью используются для достижения широкополосного согласования входных сигналов за счет небольшого снижения коэффициента шума усилителя.

Рис. 3. Основные типы каскодных МШУ [21]

Широкополосные и многодиапазонные МШУ

По сравнению с узкополосными МШУ, широкополосные МШУ должны обладать постоянным импедансом в широкой полосе частот и постоянным коэффициентом усиления во всём рабочем частотном диапазоне. Для получения широкополосного согласования импеданса используются различные методы, в частности, резистивная обратная связь и т.д., как уже было описано выше. Более того для согласования в широком диапазоне частот вместо сосредоточенных компонентов, используются распределенные элементы, такие как линии передачи. Многополосные МШУ создаются с использованием нескольких узкополосных МШУ, работающих параллельно, каждый из которых обрабатывает отдельную узкую полосу частот [21].

Сравнительный анализ

Выбор конкретной топологии для проектирования МШУ очень сильно зависит от применения, для которого он рассматривается. Ранее были рассмотрены преимущества и недостатки конкретных конфигураций МШУ. Однотранзисторные МШУ обладают преимуществом в плане меньшей занимаемой площади на кристалле микросхемы и низкого энергопотребления по сравнению с многокаскадными или каскодными аналогами. С другой стороны, хотя многокаскадные МШУ занимают меньшую площадь на кристалле микросхемы и требуют особой тщательности при проектировании межкаскадных согласующих цепей, чтобы гарантировать стабильность, они обладают преимуществом в плане обеспечения высокого коэффициента усиления и линейности. Каскодные МШУ являются физически более компактными, наряду с улучшением других рабочих параметров но имеют повышенное напряжение питания для получения надлежащего напряжения смещения для обоих последовательно соединённых транзисторов.

При проектировании МШУ для базовых станций, где высокое энергопотребление не является строгим ограничивающим фактором, предпочтение отдается каскодной топологии по сравнению с другими конфигурациями, поскольку она представляется наилучшей базовой конфигурацией, обеспечивающей хороший компромисс между низким уровнем шума, высоким коэффициентом усиления и стабильностью [24].

Пример МШУ

Как пример МШУ, рассмотрим прибор LF-3040G-1215Q компании LAUFTEX.

МШУ LF-3040G-1215Q обладает следующими особенностями:

• Рабочий диапазон частот: 30 кГц … 40 ГГц.
• Коэффициент усиления: 12 дБ (типовое значение).
• Точка компрессии P1dB: 15 dBm (типовое значение).
• Минимальные обратные потери.
• Тип корпуса: QFN, размером 5×5×1,1 мм.

Электрические параметры МШУ LF-3040G-1215Q приведены в таблице 1.

В таблице. 2 приведены максимальные значения эксплуатационных параметров МШУ LF-3040G-1215Q.

На рис. 4 приведены габаритные размеры МШУ LF-3040G-1215Q.

Рис. 4. Габаритные размеры МШУ LF-3040G-1215Q

На рис. 5 приведена типовая схема включения МШУ LF-3040G-1215Q.

Рис. 5. Типовая схема включения МШУ LF-3040G-1215Q

На рис. 6 Приведены зависимости основных параметров МШУ LF-3040G-1215Q от температуры.

Рис. 6. Зависимость КСВ по входу от температуры для МШУ LF-3040G-1215Q

Рис. 7. Зависимость КСВ по выходу от температуры для МШУ LF-3040G-1215Q

Рис. 8. Зависимость коэффициента усиления малого сигнала от температуры для МШУ LF-3040G-1215Q

Рис. 9. Зависимость разделения выхода и входа от температуры для МШУ LF-3040G-1215Q

Рис. 10. Зависимость группового времени задержки от температуры для МШУ LF-3040G-1215Q

Рис. 11. Зависимость точки компрессии P1dB от температуры для МШУ LF-3040G-1215Q

Рис. 12. Зависимость коэффициента шума от температуры для МШУ LF-3040G-1215Q