LNA - NF(dB) optimalizace

Obsah článků

Jak lze navrhovat nízkošumový LNA podle tzv. šumových parametrů polovodiče?

Všeobecně

Minimálního šumového čísla zpravidla nedocilujeme na systémové hodnotě impedance LNA (např. 50 Ohm) nebo na hodnotě přizpůsobení, které maximalizuje zisk. Navrhování LNA pro dosažení nízkého NF (dB) je kompromisem vůči zisku LNA. Pro návrháře je důležité vědět, jak je šumové číslo závislé na impedanci zdroje a jak dále s těmito parametry dělat. Tento článek vysvětluje, co jsou to tzv. šumové parametry (Noise parametrs) a jak se optimalizace vstupní části LNA prakticky řeší v té nejdostupnější kalkulačce, kterou máme k dispozici (Smithův diagram).
Doporučuji si stáhnout a přečíst základy o definici a měření šumového čísla, které nám napsala firma Agilent. Dokument je v originálu ke stažení zde.

Závislost šumového čísla F na impedanci zdroje je popsána rovnicí (viz vpravo), kde GAMMA (ve vzorci zobrazeno jako řecký symbol - obrácená hokejka) je koeficient odrazu zdroje, jehož důsledkem je konkrétní šumové číslo F. V rovnici, F_min je minimální šumové číslo, kterého bude docíleno při optimálním šumovém přizpůsobení (GAMMA_opt) R_n je tzv. šumová rezistance, tj. významem citlivost šumového čísla na admitanci zdroje. F_min, R_n a GAMMA_opt jsou často označovány v katalogových listech (datasheets) jako "Noise parameters", šumové parametry (charakteristiky). Namalujeme-li GAMMA hodnoty pro konstantní NF(dB) do Smithova diagramu, získáme oblasti (kružnice) nastavení konstantních šumových čísel F. výsledkem je přehledný diagram znázorňující poměrně složitý vztah mezi impedancí zdroje a šumovým číslem zesilovače.

Oblasti (kružnice) s konstantním šumovým číslem jsou přehledně zobrazené ve Smithově diagramu - viz ilustrace, kterou cituji z dokumentu od firmy Agilent (obr. vpravo).

Jak se s tím dělá prakticky - příklad

Jak se se šumovými parametry dělá v praxi, ukážu na jednoduchém příkladu - návrhu vstupního obvodu nízkošumového zesilovače (LNA - Low Noise Amplifier) s GaAs MMIC obvodem typu MGA86563 (firma Agilent), ať neděláme pořád jenom s PGA103+, hi ... . Datasheet lze stáhnout zde. Na straně 4 (dole) je sada tzv. šumových parametrů (šumových charakteristik) pro doporučený režim obvodu (Vd = 5V, často bývají u jiných polovodičů také uvedeny bias parametry, proud I_D, apod.). Tabulka našeho polovodiče obsahuje tyto hodnoty:

Na prvním řádku by mělo být uvedeno Frequency (GHz) = 0.5 nebo .5, ale já tam tu tečku nevidím. Stane se. V tomto příkladu budeme navrhovat vstupní obvod pro pásmo 1296 MHz a pro jednoduchost nebudu v tabulce interpolovat (jinak doporučuji), ale použiji hodnoty pro f = 1.5 GHz.

Typické šumové parametry bývají často také součástí dat, která lze stáhnout s tzv. S-parametry. Zde uvádím pro ilustraci příklad takových dat pro známý polovodič ATF54143 ve formátu txt. Šumové parametry jsou uvedené na konci souboru.

Práce ve Smithově diagramu

Snadno to jde vyřešit ve Smithově diagramu (Prof. Fritz Dellsperger, Bern Univerzity). Spustíme program, v menu klikneme na Tools, potom na záložku NoiseFigure a provedeme buď import S-parametrů se šumovými parametry polovodiče nebo tam hodnoty napíšeme z datasheetu ručně:

Ve formuláři jsou opsané parametry pro f = 1.5 GHz, tj. minimální šumové číslo NFmin (dB), koeficient odrazu, tedy jeho magnituda = 0.5 a úhel = 33° a ekvivalentní normalizovaná vstupní šumová rezistance. Potom stačí do okénka Noise figure to show (dB) psát hodnoty konstantních šumových čísel, které chceme zobrazit jako kružnice v diagramu a klikat na "Draw". Hodnoty musí být větší než "Minimum noise figure, hi :-)

Program nám vyřeší rovnici, kterou jsem uvedl v úvodu a namaluje závislosti šumových čísel na impedanci zdroje. To vypadá takto:

Co na obrazovce vidíme? Jejda, jejda, docela dost věcí lze vyčíst:

1. Když obvod napasujeme na tzv. systémovou impedanci 50 Ohmů přímo, tak ať děláme, co děláme, šumové číslo prostě bude NF = 2 dB. Impedance Z=50+j0 se dotýká druhého největšího kruhu, který odpovídá NF = 2.0 dB (viz tabulka v obrázku). Tohle je běžná praxe. Konstruktéři součástky potřebují součástku připojit k vedení s char. impedancí Z₀a šumové přizpůsobení neřeší, protože jim takto degradované šumové číslo, kterého docílili, pro danou aplikaci stačí.

2. Když obvod přizpůsobíme jen vstupní indukčností (zelená čára a schéma nahoře v obrázku), docílíme NF = 1.63 dB. Tento bod je také důležitý, často potřebujeme mít jednoduchý způsob přizpůsobení, s minimem pasivních prvků (jen jeden prvek) a takovým obvodem jediný pasivní prvek, indukčnost, určitě je.

Výrobce uvádí doporučené zapojení (pro f = 2 GHz). Stejné zapojení bude fungovat i na 1.3 GHz, pouze obvodové hodnoty na vstupu budou jiné. Zkuste si sami cvičně vyřešit ve Smithově diagramu vstupní obvod složený ze dvou vedení a jedné indukčnosti. Jde to snadno a je to způsob, který je na PCB desce snadno realizovatelný a určitě stojí za úvahu.

Ukážu zde ještě alternativu a tou je osvědčený PI článek na vstupu. Vyřešíme si ho také ve Smithově diagramu. Takto:

Z okopírované obrazovky vidíte schéma a použité pasivní prvky:

1. Vlevo je vstupní konektor. C1 = 1 pF (trimr 3 pF)
2. Rezonátor je navržen s charakteristickou impedancí Z=100 Ohmů a je dlouhý 35 mm.
3. Na vstupu polovodiče proti zemi je C2=0.3 pF (trimr 1.5 pF)

Zelené čáry v diagramu nám ukazují, jak probíhá přizpůsobení přímo do bodu, kde má MGA86563 nejlepší šumové přizpůsobení, kterého lze dosáhnout, tj NF = 1.5 dB. U předchozího řešení se vám to také podaří. V tomto řešení máme kapacitní trimry. Jsme schopni "došodat" na optimální NF (dB) i polovodič, který je trochu ujetý proti katalog. listu.

Poznámky:

1. Kupodivu jde "došodat" i oblíbený PGA103+ a budete překvapeni tím, co naměříte. Pravděpodobně výrobce rovněž neřešil šumovou optimalizaci a stačily mu výsledky, kterých docílil při prostém systémovém přizpůsobení k Z0 = 50 Ohm.
2. PGA103+ je přímou levnější náhradou obvodu Sirenza (RFMD) SPF5189. V katalog. listu SPF5189 však naleznete testovací zapojení pro nižší pásma s indukčností ve vstupním obvodu. Aplikací se vylepšilo šumové číslo o 0.2 dB. Aplikací PI článku se vylepšilo šumové číslo o více než 0.3 dB. A taková optimalizace NF se vyplatí.

Závěr

Pokud děláme s UHF a mikrovlnnými obvody, je dobré porozumět tzv. šumovým parametrům, které nám uvádějí výrobci a vědět, kdy, v čem a jak se dělají kompromisy. A o tom byl tento článek, i když jsem v této části webu dřív popsal nějaké LNA. Vidíte, že to není složité a řešení zabere jen pár minut.

Související témata

1. Až najdu chviličku, přidám ještě jeden krátký článeček o tom, jak se ve Smith chartu navrhuje LNA s pomocí tzv. S-parametrů.
2. A určitě se ještě jednou vrátím ke vstupním PI článkům u LNA. Moje poslední zkušenosti, kdy jsem znovu po mnoha létech vytáhl na světlo problematiku UHF LNA zesilovačů, se mi PI články u prototypů opět osvědčily.