低ノイズRFアンプと電力RFアンプの主な違いは何ですか？

無線周波数（RF）テクノロジーの世界では、アンプは、必要な明確さ、強度、および安定性を備えた信号が送信および受信されることを保証する上で重要な役割を果たします。モバイル通信から衛星リンクやレーダーシステムまで、 RFアンプ最新のワイヤレスネットワークのバックボーンです。さまざまなタイプのRFアンプの中で、 低ノイズアンプ（LNA） そして パワーアンプ（PA） 最も重要な2つです。どちらもシグナルを増幅する一般的な機能を果たしますが、設計哲学、アプリケーション、およびパフォーマンスパラメーターが大きく異なります。

この記事では、LNAとPASの重要な違いを調査し、作業原則、アプリケーション、およびそれらの間で選択する際に考慮しなければならないトレードオフを強調します。

1。基本的な目的

最も基本的な区別は、各タイプのアンプの目的にあります。

低ノイズアンプ（LNA）：
LNAの主な役割は、可能な限り少ない追加ノイズを導入しながら、弱い着信RFシグナルを増幅することです。信号が衛星から地球までの長距離を移動すると、彼らは彼らの強さの多くを失います。 LNASは、これらのかすかな信号がシステムノイズにownれずにブーストされ、受信機のさらなる段階がそれらを効果的に処理できるようにします。
パワーアンプ（PA）：
PAの目的は反対です。比較的強力なRF信号が必要であり、そのパワーを長距離または閉塞を通じて透過するのに十分なレベルに向上させます。 PAの仕事は、発信信号が最小限の分解で意図したレシーバーに到達するのに十分なエネルギーを確保することです。

本質的に、 LNAは、信号チェーン（受信側）の開始時に動作します。 その間 PAは、信号チェーン（送信機側）の端で動作します。

2。ノイズ図と効率

ノイズ図（NF） - LNAの優先事項：
LNAにとって低いノイズ数値が重要です。ノイズ図は、理想的なノイズレスアンプと比較して、アンプ自体が信号にどれだけのノイズを追加するかを測定する尺度です。 LNAの場合、少量の追加ノイズでさえ、システム全体の感度を低下させる可能性があります。典型的なLNAは、信号の忠実度を維持するために、1 dB未満のノイズ図を目指しています。
効率 - PAの優先事項：
PASの場合、効率はノイズよりもはるかに重要です。 PAは、入力DC電源をできるだけ多くの入力DC電力をRF出力電力に変換する必要があります。非効率的なアンプは、過度の熱、廃棄物エネルギーを生成し、高価な冷却システムを必要とします。多くの場合、効率は、特にセルラーベースステーションやレーダーなどの高出力アプリケーションでのパフォーマンスパラメーターです。

したがって、 LNAは、最小限のノイズ寄与のために最適化されています。 その間 PAは電力効率のために最適化されています。

3。要件を獲得します

LNAとPAの両方がゲインを提供しますが、必要なレベルはその機能に基づいて異なります。

LNAゲイン：
LNAは通常、の範囲で中程度のゲインを提供します 10〜30 dB。 受信機の初期段階での利益が多すぎると、その後のコンポーネントの歪みや過負荷につながる可能性があります。目標は、次の回路を飽和させることなく、次の回路のノイズを克服するのに十分な増幅を提供することです。
PAゲイン：
通常、パワーアンプはLNAと比較して低いゲインを提供します。 10〜20 dB。 彼らの役割は、大規模な増幅を作成することではなく、アンテナを駆動できる実質的な出力（ワットで測定）を実現することです。重要なのは、生のゲイン数ではなく、最終出力です。

それで、 LNAゲインとは、シグナルとノイズ比（SNR）の改善に関するものです。 その間 PAゲインとは、使用可能な送信電力を生成することです。

4。線形対飽和

LNAの線形性：
LNAは、信号に歪みを導入しないように、可能な限り最も線形領域で動作する必要があります。歪みは、弱い信号を不明瞭にする偽の信号または相互変調製品を作成する可能性があります。したがって、線形性はLNAのトップデザインの考慮事項です。
PASの飽和：
対照的に、PASは、多くの場合、飽和点の近くで動作し、出力と効率を最大化します。これにより歪みが導入される可能性がありますが、信号は（分析ではなく）送信されているため、歪みがより許容されることがよくあります。最新の通信システムは、PAの歪みに対抗するために、デジタルプレシスターション（DPD）などの線形化技術を採用しています。

したがって、 直線性はLNA設計を支配します、 その間 飽和と効率がPAの設計を支配します。

5。RFチェーンへの配置

典型的なRFシステムにおけるLNAとPAの位置は、別の明確な違いです。

LNA配置：
LNAは、レシーバーチェーンのアンテナの直後に配置されます。この配置により、増幅前のケーブル損失とコンポーネント損失の影響が最小限に抑えられます。ノイズを最小限に抑えて信号を早期に増幅することにより、LNAは、その後の段階が強力できれいな信号で動作できることを保証します。
PA配置：
PAは、送信アンテナの直前に送信アンテナの直前に配置されます。すべての変調、フィルタリング、および中間増幅段階の後、PAは最終信号を高めて、自由空間を効果的に移動できるようにします。

したがって、 LNAはレシーバーのフロントエンドで動作します、 その間 PAは送信機のバックエンドで動作します。

6。電源処理機能

LNA電源処理：
LNAは、多くの場合、マイクロボルトまたはミリボルトの範囲で、入力信号レベルが低いため設計されています。過負荷や圧縮のリスクなしには、強力な入力信号を処理できません。入力レベルが高いと、LNAを迅速に非線形性に押し込むことができます。
PAパワーハンドリング：
PAは、高出力レベルを提供するために構築されています。時には、モバイルデバイスの数ワットからブロードキャスト送信機の数百キロワットまでの範囲です。彼らは、堅牢な回路設計と熱管理を必要とする大きな電流と電圧を処理する必要があります。

要するに、 LNAは、小さな信号向けに設計された敏感なデバイスです。 その間 PASは、高出力用に設計された頑丈なデバイスです。

7。アプリケーション

LNAアプリケーション：
- 衛星通信（弱いダウンリンク信号をキャプチャするため）
- 無線望遠鏡（ディープスペース信号検出用）
- GPSレシーバー（正確なポジショニング用）
- ワイヤレスベースステーション（感度を向上させるため）
- 防衛および航空宇宙レーダーレシーバー
PAアプリケーション：
- 携帯電話（信号を基地局に送り返すため）
- 放送局（テレビとラジオの伝送）
- 軍用レーダーシステム（高出力パルス）
- ワイヤレスインフラストラクチャ（4G/5Gベースステーション）
- サテライトアップリンク（データを軌道に送信するため）

LNAとPAは、ワイヤレス通信プロセスの両端をカバーします。

8。設計上の課題

LNAの課題：
- 過度の消費電力なしで超低ノイズ数値を達成します
- さまざまな入力条件下で直線性を維持します
- ノイズを低く保ちながら、広い帯域幅を設計します
PAの課題：
- 高出力アプリケーションでの熱散逸の管理
- 最新の変調スキームの効率と直線性のバランス
- 5Gなどのシステムで幅広い周波数帯域を処理します

これらの課題は、対照的な優先順位を強調しています。 LNAの信号純度 そして PAの電力供給。

9。材料と技術

lnas：
多くの場合、GAAS（ガリウムアルセニド）、GAN（ガリウム窒化ガリウム）、または低雑音性能のためにCMOSなどの技術を使用します。 GAASは、その優れたノイズ特性のため、衛星LNAで広く使用されています。
PAS：
高効率と電力処理のために、GanまたはLDMO（横方向に拡散した金属酸化物半導体）を頻繁に使用します。特に、Ganは高周波および高出力アプリケーションに優れています。

半導体材料の選択は、アンプの関数に密接に結び付けられています。

WA12-A Bi-directional Amplifier

10。違いの概要

重要なポイントを要約するには：

LNA：
- フォーカス：ノイズを最小限に抑え、感度を最大化します
- ゲイン：10〜30 dB
- 配置：レシーバーフロントエンド
- 優先度：直線性と低ノイズの数値
- アプリケーション：衛星、GPS、電波天文学
PA：
- フォーカス：出力と効率を最大化します
- ゲイン：10〜20 dB
- 配置：送信機のバックエンド
- 優先度：出力と効率
- アプリケーション：放送、レーダー、5Gネットワーク

結論

低ノイズアンプ（LNA）とパワーアンプ（PA）は、RFシステムの同じコインの2つの側面です。 LNAは、最小限のノイズでかすかなシグナルのキャプチャと保存に焦点を当てていますが、PAは最大効率で強力な信号を送信することに集中します。設計の優先順位、信号チェーンへの配置、およびパフォーマンスメトリックは劇的に異なりますが、どちらも最新のワイヤレス通信に不可欠です。

5G、衛星インターネット、高度なレーダーなどのテクノロジーが拡大し続けるにつれて、LNAとPAの役割は重要性が高まるだけです。彼らの違いを理解することは、エンジニアがより良いシステムを設計するのに役立つだけでなく、エンドユーザーが世界中で信頼性の高い高品質のワイヤレス接続を楽しむことを保証します。