تفاوت های کلیدی بین تقویت کننده های RF نویز کم و تقویت کننده های قدرت RF چیست؟

در دنیای فناوری فرکانس رادیویی (RF) ، آمپلی فایرها نقش مهمی در اطمینان از انتقال و دریافت سیگنال ها با وضوح ، قدرت و ثبات لازم دارند. از ارتباطات تلفن همراه گرفته تا پیوندهای ماهواره ای و سیستم های رادار ، تقویت کننده های RF ستون فقرات شبکه های بی سیم مدرن هستند. در میان انواع مختلف تقویت کننده های RF ، آمپلی فایرهای نویز کم (LNA) وت تقویت کننده های قدرت (PAS) دو مورد از مهمترین آنها هستند. در حالی که هر دو به عملکرد کلی سیگنال های تقویت کننده خدمت می کنند ، در فلسفه طراحی ، کاربرد و پارامترهای عملکرد تفاوت چشمگیری دارند.

در این مقاله به بررسی تفاوت های کلیدی بین LNA ها و PA ها ، برجسته کردن اصول کار ، برنامه های کاربردی و مهندسان معاملات باید در هنگام انتخاب بین آنها بپردازیم.

1. هدف اساسی

اساسی ترین تمایز در هدف هر نوع تقویت کننده نهفته است.

• تقویت کننده نویز کم (LNA):
  نقش اصلی یک LNA تقویت سیگنال های RF ضعیف در حالی است که در حد امکان سر و صدای اضافی کمی معرفی می شود. هنگامی که سیگنال ها مسافت های طولانی را طی می کنند ، مانند ماهواره ها به زمین ، بیشتر قدرت خود را از دست می دهند. LNA ها اطمینان حاصل می کنند که این سیگنال های ضعف بدون غرق شدن در سر و صدای سیستم تقویت می شوند و به مراحل بیشتر گیرنده اجازه می دهد تا آنها را به طور مؤثر پردازش کند.

• تقویت کننده برق (PA):
  هدف یک PA برعکس است. این یک سیگنال RF نسبتاً قوی طول می کشد و قدرت خود را به سطح کافی برای انتقال در مسافت های طولانی یا از طریق انسداد افزایش می دهد. کار PA اطمینان از این است که سیگنال خروجی انرژی کافی برای دستیابی به گیرنده مورد نظر با حداقل تخریب داشته باشد.

در اصل ، LNA ها در ابتدای زنجیره سیگنال (سمت گیرنده) کار می کنند ، در حالی که PA در انتهای زنجیره سیگنال (سمت فرستنده) کار می کند.

2. شکل نویز در مقابل کارآیی

• شکل نویز (NF) - اولویت LNA:
  شکل کم صدای برای LNA بسیار مهم است. شکل نویز اندازه گیری میزان نویز خود تقویت کننده به خود سیگنال در مقایسه با یک آمپلی فایر بدون سر و صدا ایده آل است. برای LNA ها ، حتی مقدار کمی از سر و صدای اضافی می تواند حساسیت کلی سیستم را تخریب کند. LNA های معمولی برای حفظ وفاداری سیگنال ، شکل سر و صدای زیر 1 dB را هدف قرار می دهند.

• کارآیی - اولویت PA:
  برای PAS ، کارآیی بسیار مهمتر از سر و صدا است. یک PA باید تا حد امکان از توان ورودی DC به توان خروجی RF تبدیل شود. تقویت کننده های ناکارآمد باعث ایجاد گرما بیش از حد ، انرژی زباله و نیاز به سیستم های خنک کننده گران می شوند. کارآیی اغلب پارامتر عملکرد تعیین کننده است ، به خصوص در برنامه های پر قدرت مانند ایستگاه های پایه سلولی یا رادار.

بنابراین ، LNA ها برای حداقل سهم نویز بهینه شده اند ، در حالی که PA برای راندمان انرژی بهینه شده است.

3. الزامات را بدست آورید

هر دو LNA و PA سود را فراهم می کنند ، اما سطح مورد نیاز بر اساس عملکرد آنها متفاوت است.

• افزایش LNA:
  LNA ها به طور معمول سود متوسطی را در محدوده ارائه می دهند 10-30 دسی بل. افزایش بیش از حد در مراحل اولیه گیرنده می تواند منجر به تحریف و اضافه بار اجزای بعدی شود. هدف این است که تقویت کافی برای غلبه بر سر و صدای مدارهای زیر بدون اشباع آنها فراهم شود.

• سود PA:
  آمپلی فایرهای قدرت معمولاً در مقایسه با LNA ها ، اغلب بین آنها سود کمتری دارند 10-20 دسی بل. نقش آنها ایجاد تقویت گسترده نیست بلکه ارائه قدرت خروجی قابل توجهی (اندازه گیری شده در وات) است که قادر به رانندگی آنتن است. آنچه مهم است خروجی نهایی قدرت است ، نه شماره افزایش خام.

بنابراین ، افزایش LNA در مورد بهبود نسبت سیگنال به نویز (SNR) است ، در حالی که افزایش PA در مورد تولید قدرت انتقال قابل استفاده است.

4. خطی در مقابل اشباع

• خطی بودن در LNA ها:
  LNA ها برای جلوگیری از ورود اعوجاج در سیگنال باید در خطی ترین منطقه ممکن کار کنند. اعوجاج می تواند سیگنال های مبهم یا محصولات Interdodulation ایجاد کند که سیگنال مورد نظر ضعیف را مبهم می کند. از این رو ، خطی بودن یک طرح برتر برای LNA ها است.

• اشباع در PAS:
  در مقابل ، PA ها اغلب در نزدیکی نقطه اشباع خود عمل می کنند تا حداکثر توان و کارآیی خروجی را به حداکثر برسانند. این می تواند اعوجاج را معرفی کند ، اما از آنجا که سیگنال منتقل می شود (به جای تجزیه و تحلیل) ، اعوجاج اغلب قابل تحمل است. سیستم های ارتباطی مدرن از تکنیک های خطی مانند پیش بینی دیجیتال (DPD) برای مقابله با اعوجاج PA استفاده می کنند.

بنابراین ، خطی حاکم بر طراحی LNA است ، در حالی که اشباع و کارآیی حاکم بر طراحی PA است.

5. قرار دادن در زنجیره RF

موقعیت LNA و PA در یک سیستم RF معمولی یکی دیگر از تفاوت های تعیین کننده است.

• قرار دادن LNA:
  LNA ها بلافاصله پس از آنتن در زنجیره گیرنده قرار می گیرند. این مکان قبل از تقویت ، اثر تلفات کابل و مؤلفه را به حداقل می رساند. با تقویت زود هنگام سیگنال با حداقل نویز اضافه شده ، LNA تضمین می کند که مراحل بعدی می تواند با یک سیگنال قوی و تمیز کار کند.

• قرار دادن PA:
  PA درست قبل از آنتن انتقال دهنده در زنجیره فرستنده قرار می گیرد. پس از تمام مراحل تعدیل ، فیلتر و تقویت میانی ، PA سیگنال نهایی را تقویت می کند تا بتواند از طریق فضای آزاد به طور مؤثر حرکت کند.

بنابراین ، LNA ها در قسمت جلوی گیرنده ها کار می کنند ، در حالی که PA در انتهای فرستنده ها کار می کند.

6. قابلیت های کنترل برق

• مدیریت قدرت LNA:
  LNA ها برای سطح سیگنال ورودی کم ، اغلب در محدوده میکروولت یا میلی ولت طراحی شده اند. آنها نمی توانند سیگنال های ورودی قوی را بدون خطر اضافه بار یا فشرده سازی اداره کنند. سطح ورودی بالا می تواند به سرعت LNA ها را به سمت غیرخطی سوق دهد.

• دست زدن به قدرت PA:
  PA ها برای ارائه سطح قدرت بالایی ساخته شده اند ، گاهی اوقات از چند وات در دستگاه های تلفن همراه تا صدها کیلووات در فرستنده های پخش شده. آنها باید جریان ها و ولتاژهای بزرگی را اداره کنند ، که به طراحی مدار قوی و مدیریت حرارتی نیاز دارد.

به طور خلاصه ، LNA ها دستگاه های حساس هستند که برای سیگنال های کوچک طراحی شده اند ، در حالی که PA ها دستگاه های ناهموار هستند که برای خروجی با قدرت بالا طراحی شده اند.

7. برنامه ها

• برنامه های LNA:

  • ارتباطات ماهواره ای (برای گرفتن سیگنال های پایین لینک ضعیف)
  • تلسکوپ های رادیویی (برای تشخیص سیگنال در فضای عمیق)
  • گیرنده های GPS (برای موقعیت یابی دقیق)
  • ایستگاه های پایه بی سیم (برای بهبود حساسیت)
  • گیرنده های رادار دفاع و هوافضا

• برنامه های PA:

  • تلفن های همراه (برای انتقال سیگنال ها به ایستگاه پایه)
  • ایستگاه های پخش (انتقال تلویزیون و رادیو)
  • سیستم های رادار نظامی (پالس های با قدرت بالا)
  • زیرساخت های بی سیم (ایستگاه های پایه 4G/5G)
  • لینک های ماهواره ای (برای ارسال داده ها به مدار)

با هم ، LNA ها و PA ها هر دو انتهای فرآیند ارتباطات بی سیم را پوشش می دهند - دریافت و انتقال.

8. چالش های طراحی

• چالش های LNA:

  • دستیابی به ارقام سر و صدای فوق العاده کم و بدون مصرف بیش از حد برق
  • حفظ خطی در شرایط ورودی متفاوت
  • طراحی پهنای باند گسترده در حالی که سر و صدا کم می کند

• چالش های PA:

  • مدیریت اتلاف گرما در برنامه های پرقدرت
  • تعادل کارآیی و خطی برای طرح های مدولاسیون مدرن
  • دست زدن به نوارهای فرکانس گسترده در سیستمهایی مانند 5G

این چالش ها اولویت های متضاد را برجسته می کند: خلوص سیگنال برای LNA ها وت تحویل برق برای PAS.

9. مواد و فناوری ها

• LNA ها:
  غالباً از فناوری هایی مانند GAAS (گالیم آرسنید) ، GAN (گالیم نیترید) یا CMOS برای عملکرد کم نوری استفاده می کنند. GAAS به دلیل ویژگی های نویز عالی ، در LNA های ماهواره ای مورد استفاده قرار می گیرد.

• PAS:
  غالباً GAN یا LDMO ها (نیمه هادی اکسید فلزی پراکنده) را برای راندمان بالا و کنترل قدرت به کار می برند. به ویژه ، گان در برنامه های با فرکانس بالا و پر قدرت برتری دارد.

انتخاب مواد نیمه هادی از نزدیک با عملکرد تقویت کننده گره خورده است.

10. خلاصه اختلافات

برای خلاصه کردن نکات کلیدی:

• LNA:

  • تمرکز: سر و صدا را به حداقل برسانید ، حساسیت را به حداکثر برسانید
  • افزایش: 10-30 دسی بل
  • قرارگیری: انتهای جلوی گیرنده
  • اولویت: خطی بودن و شکل کم صدا
  • برنامه ها: ماهواره ها ، GPS ، نجوم رادیو

• PA:

  • تمرکز: حداکثر قدرت و کارآیی خروجی را به حداکثر برسانید
  • افزایش: 10-20 دسی بل
  • قرار دادن: انتهای عقب فرستنده
  • اولویت: تولید برق و کارآیی
  • برنامه ها: پخش ، رادار ، شبکه های 5G

پایان

آمپلی فایرهای نویز کم (LNA) و تقویت کننده های قدرت (PAS) دو طرف یک سکه در سیستم های RF هستند. در حالی که LNA ها روی ضبط و حفظ سیگنال های ضعیف با حداقل نویز تمرکز می کنند ، PAS در انتقال سیگنال های قوی با حداکثر کارایی تمرکز می کند. اولویت های طراحی آنها ، قرار دادن در زنجیره سیگنال و معیارهای عملکرد به طرز چشمگیری متفاوت است ، اما هر دو برای ارتباطات بی سیم مدرن ضروری هستند.

از آنجا که فناوری هایی مانند 5G ، اینترنت ماهواره ای و رادار پیشرفته همچنان در حال گسترش هستند ، نقش LNA ها و PAS فقط از اهمیت بالایی برخوردار می شوند. درک تفاوت های آنها نه تنها به مهندسین کمک می کند تا سیستم های بهتری را طراحی کنند بلکه اطمینان می دهند که کاربران نهایی از اتصال بی سیم با کیفیت بالا و با کیفیت بالا در سراسر جهان برخوردار هستند. $ $