Utente:Vesparello/Amplificatore a basso rumore
Un amplificatore a basso rumore (LNA, low-noise amplifier) è un amplificatore elettronico utilizzato per amplificare un segnale a bassissima potenza, per esempio, quale quello catturato da un'antenna, senza degradare significativamente il suo rapporto segnale-rumore (SNR). Qualsiasi amplificatore elettronico aumenterà la potenza sia del segnale che del rumore presente al suo ingresso, ma introdurrà anche del rumore aggiuntivo. Gli LNA sono progettati per ridurre al minimo tale rumore aggiuntivo, e tale riduzione deve essere bilanciata con altri obiettivi di progettazione come il guadagno di potenza e l'adattamento dell'impedenza.
Gli LNA trovano applicazione nei sistemi di radiocomunicazioni, negli strumenti medici e nelle apparecchiature di misura elettroniche. Un buon LNA può ad esempio fornire un guadagno in potenza di 100 volte (20 dB) con un Cifra di rumore (NF) pari 2 (3 dB). Anche se gli LNA sono principalmente usati per l'amplificazione di segnali deboli, talvolta vengono utilizzati anche in presenza di segnali più forti per prevenire fenomeni di distorsione dovuti all'intermodulazione.
Comunicazioni modifica
Le antenne ricevono comunemente segnali deboli. Un'antenna esterna è spesso collegata al suo ricevitore tramite una linea di trasmissione chiamata linea di alimentazione. Le perdite nella linea di alimentazione riducono il rapporto segnale/rumore del segnale ricevuto: una perdita sulla linea di alimentazione di 3 dB degrada il rapporto segnale-rumore (SNR) del ricevitore di 3 dB.
Un LNA è un componente chiave, che inserito nell'estremità anteriore del circuito radio ricevitore contribuisce a ridurre il rumore indesiderato. Per la formula di Friis, la cifra di rumore di un'amplificazione multistadio dipende soprattutto dai primi stadi (o semplicemente dal primo stadio), nella maggior parte dei ricevitori, la NF complessiva è dominata dai primi stadi del front-end RF.
Utilizzando un LNA vicino alla sorgente del segnale, l'effetto del rumore proveniente dagli stadi successivi della catena di ricezione nel circuito viene ridotto dal guadagno del segnale creato dall'LNA, mentre il rumore creato dall'LNA stesso viene iniettato direttamente nel segnale ricevuto. L'LNA aumenta la potenza dei segnali desiderati aggiungendo il minor rumore e distorsione possibile. Il lavoro svolto dall'LNA consente il recupero ottimale del segnale desiderato nelle fasi successive del sistema.
Considerazioni sul design modifica
Gli amplificatori a basso rumore sono gli elementi costitutivi dei sistemi e degli strumenti di comunicazione. Le specifiche o attributi LNA più importanti sono: [1]
- Guadagno
- Cifra di rumore
- Linearità
- Ingresso RF massimo
Un buon LNA ha un NF basso (es. 1 dB ), guadagno sufficiente per potenziare il segnale (ad esempio 10 dB ) e un punto di intermodulazione e compressione sufficientemente ampio (IP3 e P1dB) per svolgere il lavoro richiesto. Ulteriori specifiche sono la larghezza di banda operativa dell'LNA, la planarità del guadagno, la stabilità, il rapporto delle onde stazionarie della tensione di ingresso e di uscita (VSWR).
Per un basso rumore è necessaria un'elevata amplificazione per l'amplificatore nel primo stadio. Pertanto, vengono spesso utilizzati transistor a giunzione ad effetto di campo (JFET) e transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT). Sono azionati in un regime di corrente elevata, che non è efficiente dal punto di vista energetico, ma riduce la quantità relativa di rumore shot. Richiede inoltre circuiti di adattamento di impedenza di ingresso e di uscita per circuiti a banda stretta per migliorare il guadagno ( vedere Prodotto guadagno-larghezza di banda ).
Gli amplificatori necessitano di un dispositivo per fornire guadagno. Negli anni '40 quel dispositivo era un tubo a vuoto, ma ora di solito è un transistor. Il transistor può essere uno dei tanti tipi di transistor bipolari o transistor ad effetto di campo. Possono essere utilizzati altri dispositivi che producono guadagno, come i diodi tunnel.
In generale, nella progettazione LNA vengono utilizzate due categorie di modelli di transistor: i modelli a piccolo segnale utilizzano modelli quasi lineari di rumore e i modelli a segnale grande considerano la miscelazione non lineare.
La quantità di guadagno applicata è spesso un compromesso. Da un lato, un guadagno elevato rende forti i segnali deboli. D'altro canto, un guadagno elevato significa segnali di livello più elevato e tali segnali di livello elevato con guadagno elevato possono superare la gamma dinamica dell'amplificatore o causare altri tipi di rumore come distorsione armonica o miscelazione non lineare.
Figura di rumore modifica
La figura di rumore aiuta a determinare l'efficienza di un particolare LNA. L'idoneità dell'LNA per una particolare applicazione si basa generalmente sulla sua figura di rumore. In generale, una figura di rumore bassa determina una migliore ricezione del segnale.
Impedenza modifica
La topologia del circuito influisce sull'impedenza di ingresso e di uscita. In generale, l'impedenza della sorgente corrisponde all'impedenza di ingresso perché ciò massimizzerà il trasferimento di potenza dalla sorgente al dispositivo. Se l'impedenza della sorgente è bassa, potrebbe essere appropriata una topologia di circuito a base comune o a porta comune. Per un'impedenza di sorgente media, è possibile utilizzare un emettitore comune o una topologia di sorgente comune. Con un'elevata resistenza della sorgente, può essere appropriato un collettore comune o una topologia di drenaggio comune. Una corrispondenza dell'impedenza di ingresso potrebbe non produrre la figura di rumore più bassa.
Biasing modifica
Un altro problema di progettazione è il rumore introdotto dalle reti di polarizzazione.
Applicazioni modifica
Gli LNA vengono utilizzati nei ricevitori di comunicazioni come radiotelescopi, telefoni cellulari, ricevitori GPS, LAN wireless (WiFi) e comunicazioni satellitari.
In un sistema di comunicazione satellitare, l'antenna ricevente della stazione terrestre utilizza un LNA perché il segnale ricevuto è debole poiché i satelliti hanno una potenza limitata e quindi utilizzano trasmettitori a bassa potenza. I satelliti sono anche distanti e subiscono una perdita di percorso : i satelliti in orbita terrestre bassa potrebbero trovarsi a 120 miglia (190 km) di distanza; un satellite geosincrono è 22,236 miglia (35,785 km) di distanza.
L'LNA potenzia il segnale dell'antenna per superare le perdite della linea di alimentazione tra l'antenna e il ricevitore.
Gli LNA possono migliorare le prestazioni dei sistemi ricevitori radio definiti dal software (SDR). Gli SDR sono generalmente progettati per scopi generali e pertanto la cifra di rumore non è ottimizzata per nessuna particolare applicazione. Con un LNA e un filtro appropriato, le prestazioni migliorano su una gamma di frequenze. [== Bibliografia == *{{cita libro|autore=John W. M. Rogers, Calvin Plett|titolo=Radio frequency integrated - Circuit design|edizione=2ª ed.|città=Boston, Londra|editore=Artech House|anno=2010|ISBN=978-1-60783-979-8}} == Voci correlate == *[[Low noise block converter]] *[[Trasduttore]] {{Controllo di autorità}} {{portale|elettronica|ingegneria|telecomunicazioni}} [[Categoria:Amplificatori elettronici]] [[Categoria:Teoria dei segnali]]
- ^ (EN) Software-Defined Radio Simplified, https://www.onesdr.com/2020/01/11/an-introduction-to-low-noise-amplifier-specifications/. URL consultato l'11 gennaio 2020.