מגבר רעש נמוך

מגבר בעל רעש נמוך (LNA) הוא רכיב אלקטרוני המגביר אות בעל הספק נמוך מאוד מבלי לפגוע משמעותית ביחס האות לרעש (SNR). כל מגבר אלקטרוני יגביר את העוצמה של האות וגם של הרעש בכניסה שלו, אבל המגבר גם יכניס רעש נוסף. LNA נועד למזער את הרעש הנוסף הזה, על ידי בחירת רכיבים מיוחדים, נקודות הפעלה וטופולוגיות מעגלים. מזעור רעש נוסף חייב להתאזן עם מטרות עיצוב אחרות כגון הגבר והתאמת עכבה.

רכיבי LNA נמצאים במערכות תקשורת רדיו, מכשירים רפואיים וציוד בדיקה אלקטרוני. LNA טיפוסי מגביר 100 (20 דציבלים (dB)) תוך הפחתת ה-SNR בפחות מפקטור של שניים (נתון רעש (NF) של 3 dB). אף על פי שרכיבי LNA עוסקים בעיקר באותות חלשים שנמצאים ממש מעל רצפת הרעש, עליהם לשקול גם את נוכחותם של אותות חזקים יותר הגורמים לעיוות איפנון הדדי (intermodulation distortion).

תקשורת

אנטנות הן מקור נפוץ לאותות חלשים. אנטנה חיצונית מחוברת לרוב למקלט שלה באמצעות קו שידור הנקרא קו הזנה. הפסדים בקו ההזנה מורידים את יחס האות לרעש המתקבל: אובדן קו הזנה של 3dB מפחית את יחס האות לרעש (SNR) של המקלט ב־3dB.

דוגמה לכך היא קו הזנה באורך 3 מטרים של כבל קואקסיאלי RG-174 ובשימוש עם מקלט מערכת מיקום גלובלית (GPS). ההפסד בקו ההזנה הוא 3.2 dB ב־1 GHz; בערך 5 dB בתדר GPS ‏(1.57542 GHz). ניתן למנוע אובדן קו הזנה זה על ידי הצבת LNA באנטנה, אשר מספקת מספיק הגבר כדי לקזז את האובדן.

LNA הוא מרכיב מפתח בקצה הקדמי של מעגל מקלט רדיו כדי לעזור להפחית רעשים לא רצויים במיוחד. הנוסחאות של FRIIS לרעש ממדלות את הרעש במעגל איסוף אותות רב-שלבי. ברוב המקלטים, ה-NF הכולל נשלט על ידי השלבים הראשונים של חזית ה-RF.

על ידי שימוש ב-LNA קרוב למקור האות, השפעת הרעש מהשלבים הבאים של שרשרת הקבלה במעגל מופחתת על ידי הגבר האות שנוצר על ידי ה-LNA, בעוד שהרעש שנוצר על ידי ה-LNA עצמו מוזרק ישירות לאות המתקבל. ה-LNA מגביר את עוצמת האותות הרצויים תוך הוספת כמה שפחות רעש ועיוות. העבודה שנעשתה על ידי ה-LNA מאפשרת שליפה אופטימלית של האות הרצוי בשלבים המאוחרים יותר של המערכת.

שיקולי עיצוב

מגברי רעש נמוך הם אבני הבניין של מערכות תקשורת ומכשירים. מפרטי או תכונות ה-LNA החשובים ביותר הם:

• הגבר
• ספרת רחש
• ליניאריות
• כניסת RF מקסימלית

ל-LNA טוב יש NF נמוך (למשל 1 dB), מספיק הגבר כדי להגביר את האות (למשל 10 dB) ונקודת אינטר-מודולציה ודחיסה גדולה מספיק (IP3 ו-P1dB) כדי לבצע את העבודה הנדרשת ממנה. מפרטים נוספים הם רוחב סרט של ה-LNA, הגבר, יציבות, יחס גל עומד של מתח כניסה ומוצא (VSWR).

עבור רעש נמוך נדרשת הגברה גבוהה למגבר בשלב הראשון. לכן, לרוב נעשה שימוש בטרנזיסטורי אפקט שדה (JFET) ובטרנזיסטורים בעלי ניידות אלקטרונית גבוהה (HEMT). הם מונעים במשטר זרם גבוה, שאינו חסכוני באנרגיה, אך מפחית את הכמות היחסית של רעשי שוט. זה גם דורש מעגלים התאמת עכבת קלט ויציאה עבור מעגלים בפס צר כדי לשפר את ההגבר.

הגבר

בימינו, קיים שימוש הגבר בטרנזיסטור. הטרנזיסטור עשוי להיות אחד מני רבים של טרנזיסטורים דו-קוטביים או טרנזיסטורי אפקט שדה (FET). ניתן להשתמש במכשירים אחרים המייצרים הגבר, כגון דיודות מנהרה.

בגדול, שתי קטגוריות של דגמי טרנזיסטורים משמשות בתכנון LNA: מודלים של אותות קטנים משתמשים במודלים ליניאריים למיניהם של רעש ומודלים של אותות גדולים שוקלים ערבוב לא ליניארי.

כמות ההגבר הנדרש תלוי בשימוש. מצד אחד, הגבר גבוה הופך אותות חלשים לחזקים. מצד שני, הגבר גבוה פירושו אותות חזקים יותר, ואותות חזקים כאלה עם הגבר גבוה עלולים לחרוג מהטווח הדינמי של המגבר או לגרום לסוגים אחרים של רעש כמו עיוות הרמוני או ערבוב לא ליניארי.

ספרת רחש

ערך מורחב – ספרת רחש

ספרת הרחש עוזרת לקבוע את היעילות של LNA מסוים. התאמת LNA ליישום מסוים מבוססת בדרך כלל על ספרת הרחש שלו. נתון רעש נמוך מביא לקליטת אות טובה יותר.

עכבה

ערך מורחב – עכבה חשמלית

טופולוגיית המעגל משפיעה על עכבת קלט ויציאה. עכבת המקור מותאמת לעכבת הכניסה על מנת למקסם את העברת הכוח מהמקור למכשיר. אם עכבת המקור נמוכה, ייתכן שטופולוגיה של מעגל בסיס משותף או שער משותף תהיה מתאימה. עבור עכבת מקור בינונית, ניתן להשתמש בפולט משותף או בטופולוגיה של מקור משותף. עם עמידות מקור גבוהה, אספן נפוץ או טופולוגיית ניקוז נפוצה עשויים להתאים. התאמת עכבת כניסה עשויה שלא לייצר את נתון הרעש הנמוך ביותר.

הטיה

בעיה עיצובית נוספת היא הרעש המופיע על ידי רשתות הטיה.

יישומים

LNA משמשים במקלטי תקשורת כגון בטלסקופים רדיו, טלפונים סלולריים, מקלטי GPS, רשתות LAN אלחוטיות (WiFi) ותקשורת לוויינית.

במערכת תקשורת לוויינית, תחנת הקליטה הקרקעית משתמשת ב-LNA מכיוון שהאות המתקבל חלש מאחר שלוויינים יש כוח מוגבל ולכן משתמשים במשדרים בעלי הספק נמוך. הלוויינים גם מרוחקים וסובלים מאובדן נתיב: לוויינים נמוכים במסלול כדור הארץ עשויים להיות במרחק של 120 מיל (190 קילומטרים) משם; לוויין גיאוסינכרוני הוא 22,236 מיל (35,785 קילומטרים) משם.

ה-LNA מגביר את אות האנטנה כדי להתגבר על הפסדי קו הזנה בין האנטנה למקלט.

רכיבי LNA יכולים לשפר את הביצועים של מערכות מקלטי רדיו מבוססי תוכנה (SDR). מקלטי רדיו מבוססי תוכנה מתוכננים בדרך כלל למטרות כלליות ולכן נתון הרעש אינו מותאם לאף יישום מסוים. עם LNA ומסנן מתאים, הביצועים משתפרים בטווח של תדרים.

ראו גם

• אנטנה כיוונית
• מַתמֵר

לקריאה נוספת

• Motchenbacher, C. D.; Connelly, J. A. (1993), Low-Noise Electronic System Design, John Wiley, ISBN 978-0471577423

קישורים חיצוניים

• המרה: גורם עיוות להנחתת עיוות ו-THD