อะไรคือความแตกต่างที่สำคัญระหว่างแอมพลิฟายเออร์ RF เสียงต่ำและแอมพลิฟายเออร์พลังงาน RF?

ในโลกของเทคโนโลยีคลื่นวิทยุ (RF) แอมพลิฟายเออร์มีบทบาทสำคัญในการสร้างความมั่นใจว่าสัญญาณจะถูกส่งและรับด้วยความชัดเจนความแข็งแกร่งและความมั่นคงที่จำเป็น ตั้งแต่การสื่อสารบนมือถือไปจนถึงลิงก์ดาวเทียมและระบบเรดาร์ เครื่องขยายเสียง RF เป็นกระดูกสันหลังของเครือข่ายไร้สายที่ทันสมัย ในบรรดาแอมพลิฟายเออร์ RF ประเภทต่าง ๆ แอมพลิฟายเออร์เสียงรบกวนต่ำ (LNAs) และ แอมพลิฟายเออร์พลังงาน (PAS) เป็นสองสิ่งที่สำคัญที่สุด ในขณะที่ทั้งสองทำหน้าที่ทั่วไปของการขยายสัญญาณพวกเขาแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในปรัชญาการออกแบบแอปพลิเคชันและพารามิเตอร์ประสิทธิภาพ

บทความนี้สำรวจความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง LNAs และ PAS โดยเน้นหลักการทำงานแอปพลิเคชันและวิศวกรการแลกเปลี่ยนจะต้องพิจารณาเมื่อเลือกระหว่างพวกเขา

1. วัตถุประสงค์พื้นฐาน

ความแตกต่างพื้นฐานที่สุดอยู่ในวัตถุประสงค์ของแอมพลิฟายเออร์แต่ละประเภท

• เครื่องขยายเสียงรบกวนต่ำ (LNA):
  บทบาทหลักของ LNA คือการขยายสัญญาณ RF ที่อ่อนแอที่อ่อนแอในขณะที่แนะนำเสียงรบกวนเพิ่มเติมน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ เมื่อสัญญาณเดินทางไกลเช่นจากดาวเทียมสู่โลกพวกเขาสูญเสียความแข็งแกร่งไปมาก LNAs ตรวจสอบให้แน่ใจว่าสัญญาณจาง ๆ เหล่านี้ได้รับการเพิ่มขึ้นโดยไม่ต้องจมน้ำตายด้วยเสียงรบกวนของระบบทำให้ขั้นตอนต่อไปของตัวรับสัญญาณสามารถประมวลผลได้อย่างมีประสิทธิภาพ

• เพาเวอร์แอมพลิฟายเออร์ (PA):
  จุดประสงค์ของ PA เป็นสิ่งที่ตรงกันข้าม ใช้สัญญาณ RF ที่ค่อนข้างแข็งแกร่งและเพิ่มพลังให้อยู่ในระดับที่เพียงพอสำหรับการส่งผ่านระยะทางไกลหรือผ่านสิ่งกีดขวาง งานของ PA คือเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณขาออกมีพลังงานเพียงพอที่จะไปถึงตัวรับสัญญาณที่ตั้งใจด้วยการย่อยสลายน้อยที่สุด

ในสาระสำคัญ LNAs ทำงานที่จุดเริ่มต้นของห่วงโซ่สัญญาณ (ด้านตัวรับ) ในขณะที่ PAS ทำงานที่ส่วนท้ายของห่วงโซ่สัญญาณ (ด้านส่งสัญญาณ)

2. เสียงรบกวนเทียบกับประสิทธิภาพ

• รูปรบกวน (NF) - ลำดับความสำคัญของ LNA:
  ตัวเลขเสียงรบกวนต่ำเป็นสิ่งสำคัญสำหรับ LNAs ตัวเลขเสียงรบกวนเป็นการวัดว่าแอมพลิฟายเออร์ตัวขยายเสียงจะเพิ่มสัญญาณไปยังสัญญาณเมื่อเทียบกับแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่มีเสียงในอุดมคติ สำหรับ LNAs แม้แต่เสียงรบกวนเพิ่มเติมเล็กน้อยก็สามารถลดความไวของระบบโดยรวมได้ LNA ทั่วไปมีจุดมุ่งหมายสำหรับตัวเลขเสียงต่ำกว่า 1 เดซิเบลเพื่อรักษาความเที่ยงตรงของสัญญาณ

• ประสิทธิภาพ - ลำดับความสำคัญของ PA:
  สำหรับ PAS ประสิทธิภาพมีความสำคัญมากกว่าเสียงรบกวน PA ต้องแปลงพลังงาน DC อินพุตให้เป็นพลังงานเอาต์พุต RF ให้มากที่สุด แอมพลิฟายเออร์ที่ไม่มีประสิทธิภาพสร้างความร้อนมากเกินไปพลังงานเสียและต้องการระบบทำความเย็นที่มีราคาแพง ประสิทธิภาพมักจะเป็นพารามิเตอร์การกำหนดประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งในแอปพลิเคชันพลังงานสูงเช่นสถานีฐานโทรศัพท์มือถือหรือเรดาร์

ดังนั้น, LNAs ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการสนับสนุนเสียงรบกวนน้อยที่สุด ในขณะที่ PAs ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

3. ข้อกำหนดที่ได้รับ

ทั้ง LNAs และ PAs ให้ผลกำไร แต่ระดับที่ต้องการแตกต่างกันไปตามฟังก์ชั่นของพวกเขา

• LNA Gain:
  โดยทั่วไปแล้ว LNA จะให้ผลกำไรปานกลางในช่วงของ 10–30 dB กำไรมากเกินไปในระยะแรกของตัวรับสัญญาณอาจนำไปสู่การบิดเบือนและการโอเวอร์โหลดของส่วนประกอบที่ตามมา เป้าหมายคือการให้การขยายเพียงพอที่จะเอาชนะเสียงรบกวนของวงจรต่อไปนี้โดยไม่ทำให้อิ่มตัว

• PA Gain:
  แอมพลิฟายเออร์พลังงานมักจะให้ผลกำไรที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ LNA ซึ่งมักจะระหว่าง 10–20 dB บทบาทของพวกเขาคือไม่สร้างการขยายขนาดใหญ่ แต่เพื่อส่งมอบกำลังขับที่สำคัญ (วัดเป็นวัตต์) ที่สามารถขับเสาอากาศได้ สิ่งที่สำคัญคือกำลังไฟสุดท้ายไม่ใช่หมายเลขกำไรดิบ

ดังนั้น, LNA Gain เป็นเรื่องเกี่ยวกับการปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ในขณะที่ PA Gain เป็นเรื่องเกี่ยวกับการผลิตพลังงานการส่งสัญญาณที่ใช้งานได้

4. ความเป็นเส้นตรงกับความอิ่มตัว

• ความเป็นเส้นตรงใน lnas:
  LNAs จะต้องทำงานในพื้นที่เชิงเส้นมากที่สุดเท่าที่จะทำได้เพื่อหลีกเลี่ยงการแนะนำการบิดเบือนสัญญาณ การบิดเบือนสามารถสร้างสัญญาณปลอมหรือผลิตภัณฑ์ intermodulation ที่ปิดบังสัญญาณที่ต้องการที่อ่อนแอ ดังนั้นความเป็นเส้นตรงจึงเป็นข้อพิจารณาในการออกแบบที่ดีที่สุดสำหรับ LNAs

• ความอิ่มตัวใน PAS:
  ในทางตรงกันข้าม PAs มักจะทำงานใกล้จุดอิ่มตัวเพื่อเพิ่มกำลังขับและประสิทธิภาพสูงสุด สิ่งนี้สามารถแนะนำการบิดเบือน แต่เนื่องจากสัญญาณกำลังถูกส่ง (แทนที่จะวิเคราะห์) การบิดเบือนจึงมักจะทนได้มากขึ้น ระบบการสื่อสารที่ทันสมัยใช้เทคนิคการทำให้เป็นเส้นตรงเช่นดิจิตอล predistortion (DPD) เพื่อต่อต้านการบิดเบือน PA

ดังนั้น, ความเป็นเส้นตรงครอบงำการออกแบบ LNA ในขณะที่ ความอิ่มตัวและประสิทธิภาพครอบงำการออกแบบ PA

5. ตำแหน่งในห่วงโซ่ RF

ตำแหน่งของ LNAs และ PAs ในระบบ RF ทั่วไปเป็นอีกหนึ่งความแตกต่างที่กำหนด

• ตำแหน่ง LNA:
  LNA จะถูกวางไว้ทันทีหลังจากเสาอากาศในห่วงโซ่รับ ตำแหน่งนี้ช่วยลดผลกระทบของการสูญเสียสายเคเบิลและส่วนประกอบก่อนที่จะขยาย ด้วยการขยายสัญญาณในช่วงต้นด้วยเสียงที่เพิ่มน้อยที่สุด LNA ทำให้มั่นใจได้ว่าขั้นตอนต่อมาสามารถทำงานกับสัญญาณที่แข็งแรงและสะอาด

• ตำแหน่ง PA:
  PAS ถูกวางไว้ก่อนที่เสาอากาศส่งสัญญาณในห่วงโซ่เครื่องส่งสัญญาณ หลังจากการปรับการกรองและขั้นตอนการขยายระดับกลางทั้งหมด PA จะเพิ่มสัญญาณสุดท้ายเพื่อให้สามารถเดินทางผ่านพื้นที่ว่างได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ดังนั้น, LNAs ทำงานที่ส่วนหน้าของผู้รับ ในขณะที่ PA ทำงานที่ปลายด้านหลังของเครื่องส่งสัญญาณ

6. ความสามารถในการจัดการพลังงาน

• การจัดการพลังงาน LNA:
  LNAs ได้รับการออกแบบมาสำหรับระดับสัญญาณอินพุตต่ำซึ่งมักจะอยู่ในช่วง microvolt หรือ millivolt พวกเขาไม่สามารถจัดการสัญญาณอินพุตที่แข็งแกร่งโดยไม่เสี่ยงต่อการโอเวอร์โหลดหรือการบีบอัด ระดับอินพุตสูงสามารถผลักดัน LNAs ให้เป็นแบบไม่เชิงเส้นได้อย่างรวดเร็ว

• การจัดการพลังงาน PA:
  PAS ถูกสร้างขึ้นเพื่อส่งมอบระดับพลังงานสูงบางครั้งมีตั้งแต่วัตต์ไม่กี่วัตต์ในอุปกรณ์มือถือไปจนถึงหลายร้อยกิโลวัตต์ในเครื่องส่งสัญญาณออกอากาศ พวกเขาจะต้องจัดการกับกระแสและแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่ซึ่งต้องใช้การออกแบบวงจรที่แข็งแกร่งและการจัดการความร้อน

ในระยะสั้น LNAs เป็นอุปกรณ์ที่ละเอียดอ่อนที่ออกแบบมาสำหรับสัญญาณเล็ก ๆ ในขณะที่ PAS เป็นอุปกรณ์ที่ทนทานได้รับการออกแบบมาสำหรับเอาต์พุตกำลังสูง

7. แอปพลิเคชัน

• แอปพลิเคชัน LNA:

  • การสื่อสารผ่านดาวเทียม (เพื่อจับสัญญาณดาวน์ลิงค์ที่อ่อนแอ)
  • กล้องโทรทรรศน์วิทยุ (สำหรับการตรวจจับสัญญาณพื้นที่ลึก)
  • ตัวรับสัญญาณ GPS (สำหรับการวางตำแหน่งที่แม่นยำ)
  • สถานีฐานไร้สาย (เพื่อปรับปรุงความไว)
  • เครื่องรับเรดาร์ป้องกันและอวกาศ

• แอปพลิเคชัน PA:

  • โทรศัพท์มือถือ (เพื่อส่งสัญญาณกลับไปที่สถานีฐาน)
  • สถานีออกอากาศ (โทรทัศน์และส่งสัญญาณวิทยุ)
  • ระบบเรดาร์ทหาร (พัลส์พลังงานสูง)
  • โครงสร้างพื้นฐานไร้สาย (สถานีฐาน 4G/5G)
  • อัปลิงค์ดาวเทียม (เพื่อส่งข้อมูลไปยังวงโคจร)

ร่วมกัน LNAs และ PAs ครอบคลุมทั้งสองด้านของกระบวนการสื่อสารไร้สาย - การส่งและการส่งผ่าน

8. การออกแบบความท้าทาย

• ความท้าทาย LNA:

  • บรรลุตัวเลขเสียงรบกวนต่ำเป็นพิเศษโดยไม่ต้องใช้พลังงานมากเกินไป
  • การรักษาความเป็นเส้นตรงภายใต้เงื่อนไขการป้อนข้อมูลที่แตกต่างกัน
  • การออกแบบแบนด์วิดท์กว้างในขณะที่ทำให้เสียงต่ำ

• ความท้าทาย PA:

  • การจัดการการกระจายความร้อนในแอปพลิเคชันพลังงานสูง
  • การปรับสมดุลประสิทธิภาพและความเป็นเส้นตรงสำหรับรูปแบบการปรับที่ทันสมัย
  • การจัดการแถบความถี่กว้างในระบบเช่น 5G

ความท้าทายเหล่านี้เน้นลำดับความสำคัญที่แตกต่าง: ความบริสุทธิ์ของสัญญาณสำหรับ LNAs และ การส่งมอบพลังงานสำหรับ PAS

9. วัสดุและเทคโนโลยี

• LNAs:
  มักจะใช้เทคโนโลยีเช่น GaAs (Gallium Arsenide), Gan (Gallium Nitride) หรือ CMOs เพื่อประสิทธิภาพเสียงต่ำ GAAs ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน LNA ผ่านดาวเทียมเนื่องจากลักษณะเสียงที่ยอดเยี่ยม

• PAS:
  มักใช้ GAN หรือ LDMOS (เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์กระจายด้านข้าง) เพื่อประสิทธิภาพสูงและการจัดการพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งกานมีความเชี่ยวชาญในการใช้งานความถี่สูงและกำลังสูง

ทางเลือกของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์นั้นเชื่อมโยงกับฟังก์ชั่นของแอมพลิฟายเออร์อย่างใกล้ชิด

10. สรุปความแตกต่าง

เพื่อสรุปประเด็นสำคัญ:

• LNA:

  • โฟกัส: ลดเสียงรบกวนลดความไวสูงสุด
  • กำไร: 10–30 เดซิเบล
  • ตำแหน่ง: ส่วนหน้ารับสัญญาณ
  • ลำดับความสำคัญ: ความเป็นเส้นตรงและตัวเลขเสียงรบกวนต่ำ
  • แอพพลิเคชั่น: ดาวเทียม, GPS, ดาราศาสตร์วิทยุ

• PA:

  • โฟกัส: เพิ่มกำลังขับและประสิทธิภาพสูงสุด
  • กำไร: 10–20 เดซิเบล
  • ตำแหน่ง: เครื่องส่งสัญญาณกลับด้านหลัง
  • ลำดับความสำคัญ: กำลังไฟและประสิทธิภาพ
  • แอปพลิเคชัน: การออกอากาศ, เรดาร์, เครือข่าย 5G

บทสรุป

แอมพลิฟายเออร์เสียงรบกวนต่ำ (LNAs) และแอมพลิฟายเออร์พลังงาน (PAS) เป็นสองด้านของเหรียญเดียวกันในระบบ RF ในขณะที่ LNAs มุ่งเน้นไปที่การจับและรักษาสัญญาณจาง ๆ ด้วยเสียงรบกวนน้อยที่สุด PAS มุ่งเน้นไปที่การส่งสัญญาณที่แข็งแกร่งด้วยประสิทธิภาพสูงสุด ลำดับความสำคัญของการออกแบบตำแหน่งในห่วงโซ่สัญญาณและตัวชี้วัดประสิทธิภาพแตกต่างกันอย่างมาก แต่ทั้งคู่ก็ขาดไม่ได้สำหรับการสื่อสารไร้สายที่ทันสมัย

ในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีเช่น 5G, อินเทอร์เน็ตดาวเทียมและเรดาร์ขั้นสูงยังคงขยายตัวต่อไปบทบาทของ LNAs และ PAS จะเติบโตอย่างมีความสำคัญเท่านั้น การทำความเข้าใจความแตกต่างของพวกเขาไม่เพียง แต่ช่วยให้วิศวกรออกแบบระบบที่ดีขึ้น แต่ยังช่วยให้มั่นใจได้ว่าผู้ใช้จะได้รับการเชื่อมต่อไร้สายที่เชื่อถือได้และมีคุณภาพสูงทั่วโลก