LNA 설계 요소 및 관련 용어 정리

10GHz 이상의 높은 주파수 에서는 RF 파장이 짧아 지기 때문에 손실이 크다 근데 마이크로파에서 보통 신호가 작고 잡음에 약하다. 수신기의 감도는 잡음에서 수신하려는 신호를 분리해내는 정도인 Noise Figure이며 이는 낮을 수록 감도가 좋다. 이를 해결해주는 것이 바로 LNA이다. Low Noise Amplifer로 그야말로 잡음은 줄이고 전체적인 신호는 높이는 수신단 Amp이다. 송신단 Amp는 다음에 포스팅 하도록 하겠다.

 

LNA에서 중요한 설계 요소는 정합회로와 특성파라미터이다.  임피던스를 부정합은 협대역을 만든다.

 

LNA는

협대역 or 광대역 

최대이득 or 최대 전력 

선형전력 or 최소잡음 지수

로 나눌 수 있다.

 

Parametric Amplifier는 저잡음 특성을 갖는다. 이 는 발진기에서 Pump 작동에 의해 증폭된 출력 전력을 얻는 증폭기 이다. 입력 신호와 Pump신호가 잘 맞지 않으면 idler성분이 생겨 처리가 필요해 진다.

 

GaAs Fet 증폭기에서 GaAs  band gap이 크기 때문에 저항률을 높다. 또한 캐리어 이동도가 전자에서 높기 때문에 고속 반도체 소자에 적합하다. 

 

이상적인 LNA를 위해서는 평탄한 Gain, 낮은 NF, 높은 IP3값

 

IP3가 뭔지 알기 위해 선형성 지표인 IMD, P1dB를 먼저 알필요가 있다. Intermodulation Distortion인데 이는 IM, IM3보다 더 자주 사요오디는 용어 이다. IM은 두개 이상의 주파수가 동시에 처리될때 나타나는 현상이고  신호를 왜곡하므로 IMD이라 한다. 사실 선형성을 말하기 앞서 harmonic을 알아야 한다. 이는 고조파인데  고주파랑은 다르다. 고주파는 주파수가 높은 전자기파이며 고조파는 배수 주파수 성분이다. 이는 주기와도 관련이 깊으며  공진이랑도 연결된다. 주파수가 두배면 파장은 반파장이 된다. 이 여러파장으로 공진하면 손실이 늘어나 약해지게 된다.

 

이 IMD를 제거하기 위해서는 BPF를 사용하여 제거한다. 이중에서 원래 신호와 가까운 녀석들을 IM3라 한다. 이들도 제거를 해야하는데 문제는 제거하기 어렵다. 이들은 비선형 시스템 때문에 나타나는 거다. 이 IM3는 비선형 출력단의 3승항의 잡음이다. 우리는 이들 잡음을 제거해서 시스템을 선형처럼 보이게 하는 것이 중요한 것이다. IM3의 크기는 상대적으로 fundamental 신호와의 차이에 -를 붙인 dBc 단위로 표현한다. 따라서 작을수록 좋다. 차이가 크다는 말이기 때문이다.

 

P1dB는 입력전력이 증가할때 gain이 1dB줄어든 지점의 출력전력값이다. 이 지점부터 선형성이 무너졌다고 볼수 있는 지점이다.

 

IP3는 IM3가 포화되지 않고 계속 증가하다가 두 전력점이 같아지는 지점이다. 출력전력이 증가하면 IM3성분의 증가폭기 더 크기 때문이다. 왜냐면 이는 3배의 기울기를 갖기 때문에 어느 전력점 이상에서는 fundamental 보다커지게 되는 것이다.

 

다시 돌아와서  이상적인 LNA를 위해서 왜곡을 줄이고 Gain Drift를 최소화 해야함. => Negative Feedback => 전력 소모 증가 => MMIC Amp => Gain 평탄성 저하 => 다단 구성 

여튼간에 낮은 잡음을 갖는 소자를 사용하고 작은 전류를 사용하며 임피던스매칭을 통해 gain을 확보한다.