Elettronica per Telecomunicazioni - 1.2 12/6/2017 Amplificatori LNA La realizzazione degli amplificatori LNA è legata all’esigenza di dover amplificare i segnali all’antenna molto deboli (anche -110 dBm) non deteriorando l’SNR già molto basso, lavorando cioè con un F il più possibile vicino all’unità. Guadagno di Potenza © 2002 DDC

banda frazionale stretta. Frequenza operativa Nelle applicazioni che si studieranno si parlerà sempre di frequenza operativa piuttosto che di banda, questo perché generalmente si ha a che fare con segnali a banda frazionale stretta. Ad esempio: il segnale del DECT è centrato attorno a 1.9 GHz, con una larghezza di banda di 17 MHz, si hanno 10 canali, ciascuno occupante 1.7 MHz; il segnale del GSM è allocato attorno a 0.9 GHz con una banda pari a 35 MHz (da 925 a 960 MHz) in cui si trovano 175 canali, con 200 KHz per canale. Quello che interessa, in un LNA, è che esso possa lavorare correttamente alla frequenza centrale, non ci si pone il problema di garantire la costanza del guadagno dato che i valori di banda sono talmente piccoli da far sì che questo requisito sia praticamente sempre soddisfatto.

Abbiamo ottenuto la curva Fmin al variare della densità di corrente Amplificatore LNA Abbiamo ottenuto la curva Fmin al variare della densità di corrente Quindi scegliendo opportunamente la corrente riusciamo a ottenere Fo. La Resistenza di generatore che mi permette di ottenere questo valore è:

Adattamento dell’LNA Se disegno la RSOPT in funzione della Ic Allora, si sceglie Ic che pone RSOPT pari a 50ohm e la densità tale da avere Fo lavorando sull’area del transistore

Adattamento della Zi Manca comunque l’adattamento con l’ingresso. Si ragiona in due passi. Introduciamo l’induttanza in emettitore LE Che porta a: notiamo che la frequenza non compare

Induttanza in base Quindi si introduce l’induttanza in base LB per annullare la parte immaginaria di Zi Nell’espressione di LB invece la frequenza è presente, quindi l’adattamento è dipendente da w

Adattamento Il transistor adesso è adattato ed è anche nelle migliori condizioni per il rumore. Questo schema non viene più usato retroazionato come si faceva in banda base, proprio perché dobbiamo lavorare con alte frequenze, il guadagno complessivo (trascurando gli induttori) sarà dunque:

Stabilità del guadagno Elettronica per Telecomunicazioni - 1.2 12/6/2017 Stabilità del guadagno Si sceglie uno schema di generazione di corrente stabile ed indipendente dalla temperatura. Per fare questo si sceglie uno schema a generatore di Widlar (o sua variante l’IPTAT): d’altra parte per cui © 2002 DDC

Polarizzazione Per la corretta polarizzazione, il generatore di corrente può essere inserito in questo modo: I resistori RB1 e RB2 sono stati introdotti per non modificare l’adattamento, altrimenti dalla base di Q2 si vedrebbe 1/gm come resistenza e tutto il lavoro fatto per l’adattamento andrebbe perso.

Polarizzazione I due resistori comunque non alterano l’accoppiamento tra Q1 e Q2, se infatti la relazione tra le aree è AE2 = nAE1, basta rispettare la condizione: La capacità C1 è di accoppiamento per non disturbare la polarizzazione, e deve essere: La capacità CB è introdotta per ridurre il rumore introdotto dal generatore e dalla resistenza RB1. Comunque ci si allontana dalla progettazione a minimo fattore di rumore.

Problemi di accoppiamento di uscita Nelle soluzioni ad emettitore comune, a causa della C di transistore si può verificare un disturbo del LNA dovuto a segnali in uscita.

Soluzione Cascode La soluzione naturale per risolvere il problema della Cμ è di usare un cascode in luogo dell’emettitore comune: Riduce l’effetto del segnale di ritorno.

Amplificatore differenziale Nel caso della realizzazione integrata si ricorre spesso ad uno schema differenziale che permette una buona reiezione ai disturbi di modo comune (rumore dell’alimentazione, rumori sul substrato...), siamo infatti ad alta frequenza e un semplice condensatore può non garantire un isolamento ottimo

Esempio di adattamento L’impedenza d’ingresso raddoppia rispetto alla soluzione ad emettitore comune è necessario riadattare, inoltre si deve operare la conversione da segnale singolo a differenziale. Entrambi i problemi si risolvono con un trasformatore

Soluzione differenziale Le resistenze R1 ed R2 servono a fissare la tensione continua sulle basi di Q1 e Q2, mentre il condensatore C2 serve ad ridurre il rumore delle due resistenze evitando che si propaghi in ingresso.

Gli LNA con retroazione Gli amplificatori finora visti presentano tutti una resistenza d’ingresso che spesso può essere anche molto differente da quella richiesta per l’adattamento, con conseguenti valori inaccettabili del Q delle reti di trasformazione. Un modo per evitare questo problema può essere quello di realizzare LNA con resistenze d’ingresso più basse utilizzando sistemi retroazionati:

Gli LNA con retroazione Fra le possibili retroazioni questa è quella che permette di evitare un’interazione della RC, che fissa il guadagno, con la RF che realizza il feedback. Fissato il guadagno si può quindi scegliere la RF, indipendentemente dagli altri parametri, per avere l’ammettenza desiderata.

Amplificatore LNA adattamento in uscita Due possibilità: LNA e MIXER LNA Filto e MIXER La soluzione LNA seguito da filtro è la più diffusa. Impiego due filtri invece di uno Non posso integrare insieme LNA e mixer sullo stesso substrato Ma si riesce invece ad ottenere figure di rumore più basse che nell’altro caso.

Amplificatore LNA adattamento in uscita I filtri però sono progettati per lavorare bene solo in condizioni di adattamento e vogliono vedere ai loro morsetti impedenze standard di 50Ω. L’uscita di un LNA è invece ad un livello più alto per motivi di guadagno, dovremo dunque adattare abbassando l’impedenza d’uscita dell’amplificatore

Amplificatore LNA adattamento in uscita Dove RL è l’ingresso del filtro, C2 è invece di accoppiamento. I valori ottimali per L1 e C1 in maniera da ottenere Z2 = 50 Ω sono: