Un amplificador de bajo ruido ( LNA ) es un componente electrónico que amplifica una señal de muy baja potencia sin degradar significativamente su relación señal-ruido (SNR). Cualquier amplificador electrónico aumentará la potencia tanto de la señal como del ruido presente en su entrada, pero el amplificador también introducirá algo de ruido adicional. Los LNA están diseñados para minimizar ese ruido adicional, mediante la elección de componentes especiales, puntos de operación y topologías de circuitos . La minimización del ruido adicional debe equilibrarse con otros objetivos de diseño, como la ganancia de potencia y la adaptación de impedancia .
Los LNA se encuentran en sistemas de comunicación por radio , estaciones de radioaficionados , instrumentos médicos y equipos de prueba electrónicos . Un LNA típico puede proporcionar una ganancia de potencia de 100 (20 decibeles (dB)) mientras reduce la relación señal-ruido en menos de un factor de dos (una figura de ruido (NF) de 3 dB). Aunque los LNA se ocupan principalmente de señales débiles que están justo por encima del nivel de ruido , también deben considerar la presencia de señales más grandes que causan distorsión por intermodulación .
Las antenas son una fuente común de señales débiles. [1] Una antena exterior suele estar conectada a su receptor mediante una línea de transmisión llamada línea de alimentación . Las pérdidas en la línea de alimentación reducen la relación señal-ruido recibida: una pérdida en la línea de alimentación de3 dB degrada la relación señal-ruido (SNR) del receptor en3dB .
Un ejemplo es una línea de alimentación hecha con 10 pies (3,0 m) de cable coaxial RG-174 y utilizada con un receptor de sistema de posicionamiento global (GPS). La pérdida en esa línea de alimentación es3,2 dB en1 GHz ; aproximadamente5 dB en la frecuencia GPS (1.575 42 GHz ). Esta pérdida de línea de alimentación se puede evitar colocando un LNA en la antena, que proporciona suficiente ganancia para compensar la pérdida.
Un LNA es un componente clave en el front-end de un circuito receptor de radio para ayudar a reducir el ruido no deseado en particular. Las fórmulas de Friis para el ruido modelan el ruido en un circuito de recolección de señales de múltiples etapas. En la mayoría de los receptores, el NF general está dominado por las primeras etapas del front-end de RF .
Al utilizar un LNA cerca de la fuente de señal, el efecto del ruido de las etapas posteriores de la cadena de recepción en el circuito se reduce por la ganancia de señal creada por el LNA, mientras que el ruido creado por el propio LNA se inyecta directamente en la señal recibida. El LNA aumenta la potencia de las señales deseadas mientras agrega la menor cantidad posible de ruido y distorsión. El trabajo realizado por el LNA permite una recuperación óptima de la señal deseada en las etapas posteriores del sistema.
Los amplificadores de bajo ruido son los componentes básicos de los sistemas e instrumentos de comunicación. Las especificaciones o atributos más importantes de los LNA son: [2]
Un buen LNA tiene un NF bajo (por ejemplo1 dB ), ganancia suficiente para potenciar la señal (por ejemplo10 dB ) y un punto de intermodulación y compresión lo suficientemente grande (IP3 y P1dB) para realizar el trabajo requerido. Otras especificaciones son el ancho de banda operativo del LNA, la planitud de ganancia, la estabilidad, la relación de onda estacionaria (VSWR) de voltaje de entrada y salida .
Para lograr un nivel bajo de ruido, se requiere una alta amplificación para el amplificador en la primera etapa. Por lo tanto, a menudo se utilizan transistores de efecto de campo de unión (JFET) y transistores de alta movilidad de electrones (HEMT). Se los activa en un régimen de alta corriente, que no es eficiente energéticamente, pero reduce la cantidad relativa de ruido de disparo . También se requieren circuitos de adaptación de impedancia de entrada y salida para circuitos de banda estrecha para mejorar la ganancia ( consulte el producto Ganancia-ancho de banda ).
Los amplificadores necesitan un dispositivo que les proporcione ganancia. En la década de 1940, ese dispositivo era un tubo de vacío , pero ahora suele ser un transistor. El transistor puede ser una de las muchas variedades de transistores bipolares o transistores de efecto de campo . Se pueden utilizar otros dispositivos que produzcan ganancia, como los diodos túnel .
En términos generales, en el diseño de LNA se utilizan dos categorías de modelos de transistores: los modelos de señal pequeña utilizan modelos cuasi-lineales de ruido y los modelos de señal grande consideran la mezcla no lineal.
La cantidad de ganancia aplicada suele ser un compromiso. Por un lado, una ganancia alta hace que las señales débiles sean fuertes. Por otro lado, una ganancia alta significa señales de nivel más alto, y esas señales de nivel alto con una ganancia alta pueden exceder el rango dinámico del amplificador o causar otros tipos de ruido, como distorsión armónica o mezcla no lineal.
El factor de ruido ayuda a determinar la eficiencia de un LNA en particular. La idoneidad de un LNA para una aplicación particular se basa normalmente en su factor de ruido. En general, un factor de ruido bajo da como resultado una mejor recepción de la señal.
La topología del circuito afecta la impedancia de entrada y salida. En general, la impedancia de la fuente se adapta a la impedancia de entrada porque eso maximizará la transferencia de potencia desde la fuente al dispositivo. Si la impedancia de la fuente es baja, entonces una topología de circuito de base común o de compuerta común puede ser apropiada. Para una impedancia de fuente media, se puede utilizar una topología de emisor común o de fuente común . Con una resistencia de fuente alta, una topología de colector común o de drenaje común puede ser apropiada. Una adaptación de la impedancia de entrada puede no producir el factor de ruido más bajo.
Otro problema de diseño es el ruido introducido por las redes de polarización . En los circuitos de comunicación, las redes de polarización desempeñan un papel fundamental a la hora de establecer puntos de funcionamiento estables para los componentes activos, pero también introducen ruido. Los principales tipos de ruido introducidos por estas redes son el ruido térmico y el ruido de parpadeo. El ruido térmico surge de los elementos resistivos de la red, lo que es inevitable ya que cualquier componente resistivo genera ruido debido al movimiento aleatorio de los portadores de carga. Este tipo de ruido es especialmente problemático a altas frecuencias. El ruido de parpadeo, también conocido como ruido 1/f, está relacionado con el flujo de corriente a través de dispositivos como los transistores y se vuelve más significativo a frecuencias más bajas. [3]
Por ejemplo, en los amplificadores de bajo ruido (LNA), la red de polarización debe diseñarse cuidadosamente para minimizar el impacto del ruido en el rendimiento general. Una polarización inadecuada puede generar mayores cifras de ruido, lo que compromete la relación señal-ruido y degrada el rendimiento del sistema de comunicación. Por lo tanto, el diseño y la selección de componentes dentro de la red de polarización son cruciales para garantizar un funcionamiento con bajo nivel de ruido, en particular en sistemas que dependen de la amplificación de señales débiles. [4]
Además, las redes de adaptación y las técnicas de polarización cuidadosas, como el uso de transistores de bajo ruido y la optimización de la adaptación de impedancia, ayudan a mitigar los efectos de ruido introducidos por los circuitos de polarización.
Los LNA se utilizan en receptores de comunicaciones como radiotelescopios , teléfonos celulares, receptores GPS , redes LAN inalámbricas (WiFi) y comunicaciones por satélite .
En un sistema de comunicaciones por satélite, la antena receptora de la estación terrestre utiliza un LNA porque la señal recibida es débil, ya que los satélites tienen una potencia limitada y, por lo tanto, utilizan transmisores de baja potencia. Los satélites también están distantes y sufren pérdidas de trayectoria : los satélites de órbita baja terrestre pueden estar a 120 millas (190 km) de distancia; un satélite geoestacionario está a 22.236 millas (35.785 km) de distancia.
El LNA amplifica la señal de la antena para superar las pérdidas de la línea de alimentación entre la antena y el receptor.
Los LNA pueden mejorar el rendimiento de los sistemas de receptores de radio definidos por software (SDR). Los SDR suelen estar diseñados para uso general y, por lo tanto, el factor de ruido no está optimizado para ninguna aplicación en particular. Con un LNA y un filtro adecuado, se mejora el rendimiento en un rango de frecuencias.
