Активные компоненты в радиочастотных цепях

Малошумящие усилители, усилители мощности, смесители... Узнайте об активных компонентах, используемых в радиочастотных системах.

Как и в случае с пассивными компонентами, активные компоненты, используемые в радиочастотных схемах, во многом обладают теми же характеристиками, что и активные компоненты, используемые в низкочастотных аналоговых системах. Однако есть определенные компоненты, которые очень специфичны для радиочастотных проектов. Кроме того, для обеспечения того, чтобы радиочастотные компоненты поддерживали адекватную производительность на очень высоких частотах, часто используются другие полупроводниковые технологии.

Усилители

Усилительные схемы, часто построенные вокруг операционного усилителя, чрезвычайно распространены как в низкочастотном, так и в высокочастотном аналоговом проектировании. В радиочастотных системах существует два основных типа усилителей: усилители мощности (УМ, PA) и малошумящие усилители (МШУ, LNA). Первые используются для увеличения уровня мощности радиочастотного сигнала для передачи, а последние – для усиления (часто очень малых) сигналов, принимаемых антенной.

Усилители мощности

Усилитель мощности или УМ (PA) используется для увеличения уровня мощности сигнала перед его передачей на антенну. Аналогичная ситуация наблюдается в аудиосхемах: амплитуда аудиосигнала может быть вполне адекватной по напряжению, но усилитель мощности необходим для подачи большего количества тока на катушку динамика. В аудиотехнике бо́льший ток соответствует бо́льшей мощности, а это в свою очередь соответствует большей громкости. На радиочастотах бо́льшая мощность соответствует бо́льшему расстоянию.

Малошумящие усилители

Существует множество нерадиочастотных приложений, требующих малошумящего усиления, но конкретная фраза «малошумящий усилитель» распространена только в контексте радиочастот. На самом деле мы обычно слышим сокращенную версию этого термина, то есть МШУ (или LNA).

Принятый сигнал, передаваемый антенной, может иметь очень низкий уровень, и кроме того, быть зашумлен. Этот сигнал необходимо усилить для дальнейшей обработки, но также важно свести к минимуму дальнейшее ухудшение отношения сигнал/шум. Таким образом, малошумящий усилитель предназначен для обеспечения высокого коэффициента усиления по напряжению при одновременном введении минимального уровня шума.

Шумовая эффективность МШУ определяется количественно с помощью «коэффициента шума» (NF), который соответствует величине создаваемого усилителем снижения SNR (отношения сигнал/шум) в дБ. Таким образом, идеальный усилитель имел бы NF = 0 дБ. По мере того, как шумовая эффективность уменьшается, NF увеличивается.

Смесители

Другим основным радиочастотным компонентом является смеситель. Это название может вводить в заблуждение, радиочастотный смеситель не смешивает сигналы как аудиомикшер. Радиочастотный смеситель принимает две входные частоты и генерирует третью выходную частоту посредством умножения. Другими словами, смеситель выполняет перенос по частоте.

Смесители позволяют переносить сигналы на более высокие или более низкие частоты способом, который сохраняет параметры сигнала. Например, несущий информацию (то есть модулированный) низкочастотный сигнал может быть перенесен на более высокую частоту, которая подходит для беспроводной передачи, и передаваемый сигнал сохранит важные детали модуляции, которые присутствовали в низкочастотном сигнале.

Петли фазовой автоподстройки частоты

Реальное генерирование периодических сигналов более тесно связано с областью пассивных компонентов, но для управления этими периодическими сигналами используются активные компоненты. Петля фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, phase-locked loop, PLL) на самом деле представляет собой систему подкомпонентов – как минимум фазовый детектор, фильтр нижних частот, генератор, управляемый напряжением (ГУН, VCO) и делитель частоты – что позволяет использовать одну входную частоту для генерации широкого спектра выходных частот.

Объединение ФАПЧ (PLL) с высокоточным генератором с температурной компенсацией преобразует высокоточную, но фиксированную опорную частоту в систему, которая может создавать высокоточные и изменяемые выходные частоты. Генератор, объединенный с ФАПЧ (PLL), называется синтезатором, то есть компонент, который может генерировать частоты в определенном диапазоне.

Эта способность подстраивать частоту генератора очень важна в радиочастотном проектировании. Конкретной системе, чтобы избежать помех, может понадобиться работа на разных каналах, и поэтому колебательная система должна быть регулируемой по частоте. Кроме того, частотный интервал между соседними каналами может быть относительно небольшим, и, следовательно, корректировки должны быть точными.

Преобразователи данных

Хотя это нестандартные компоненты в контексте радиочастотной техники, важно признать, что аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) становятся всё более важными составляющими во многих радиочастотных системах. АЦП и ЦАП позволяют радиочастотным системам пользоваться специальными возможностями, предлагаемыми методами цифровой обработки сигналов, а также общей гибкостью и удобством, связанными с программными решениями.

Термин «программное радио» (SDR, «software-defined radio») относится к системам беспроводной связи, которые для реализации важных частей цепи радиочастотных сигналов, полагаются на программное обеспечение. Преобразователи данных в таких системах являются критически важными компонентами: например, ЦАП может использоваться для прямой генерации низкочастотного сигнала, или АЦП может использоваться для оцифровки принятого низкочастотного сигнала (с дальнейшим анализом в цифровом сигнальном процессоре).

SDR может ввести дополнительную сложность в проектирование, оно также предлагает преимущества, которые особенно ценны в некоторых приложениях.

Радиочастотные полупроводниковые приборы

Кремний по-прежнему является доминирующим материалом в производстве полупроводниковых приборов. Однако в радиочастотных системах представлены и другие материалы, более совместимые с высокочастотными сигналами. В радиочастотных полупроводниковых приборах используются три альтернативных материала: нитрид галлия (GaN), арсенид галлия (GaAs) и кремний-германий (SiGe). Специализированные полупроводниковые технологии позволяют изготавливать устройства, которые сохраняют достаточную производительность на чрезвычайно высоких частотах, то есть выше 100 ГГц.

Внутри микросхем

Как и в случае низкочастотных устройств, основным активным компонентом в радиочастотных интегральных микросхемах является транзистор. Однако мы используем слово «компонент» для обозначения всего устройства, которое может состоять из множества транзисторов, а не отдельных транзисторов в микросхемах. Важно понимать обоснование этого: разработка высокопроизводительных высокочастотных RF компонентов чрезвычайно сложна и не входит в набор навыков многих радиоинженеров. Практическая радиотехника направлена на объединение этих компонентов в функциональные схемы, а затем на решение различных сложных проблем.

Резюме

• Активные компоненты, предназначенные для радиочастотных систем, могут предлагать либо специализированные функции, либо стандартные функции, но с большими возможностями поддерживать работу на высоких частотах.
• ВЧ усилитель обычно классифицируется как усилитель мощности (УМ, PA) или как малошумящий усилитель (МШУ, LNA). Первый обеспечивает усиление по мощности при подготовке к передаче, а второй обеспечивает высокий коэффициент усиления по напряжению и низкий уровень шума.
• RF смесители выполняют перенос по частоте, умножая два входных сигнала.
• Петлю фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL) можно объединять с генератором для создания синтезатора частот.
• АЦП и ЦАП являются важными компонентами некоторых радиочастотных устройств. Они становятся всё более распространенными в современных беспроводных системах. В частности, они необходимы в программных радиоприемниках.
• SiGe, GaAs и GaN являются специализированными полупроводниковыми материалами, превосходящими кремний в высокопроизводительных радиочастотных приложениях.

Теги