Analogtipp So wählen Sie den richtigen HF-Verstärker für Ihre Applikation

Autor / Redakteur: Anton Patjuschenko * / Kristin Rinortner

HF-Verstärker gibt es in allen möglichen Typen und Formen, die unterschiedliche Anwendungsszenarien abdecken. Bei HF-Verstärkern ist die Verstärkung allerdings nicht der einzige und oft nicht einmal der bestimmende Parameter, den Sie bei der Auswahl beachten müssen.

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Analogtipp: LNA, LPNA, PA , VGA etc. – ein Überblick zu den gängigen HF-Verstärkern.
Analogtipp: LNA, LPNA, PA , VGA etc. – ein Überblick zu den gängigen HF-Verstärkern.
(Bild: Elektronikpraxis)

Die Verstärkung gibt an, um wieviel ein HF-Verstärker ein Signal im Pegel anhebt, beschrieben wird sie durch das Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung in dB. Dieser Wert ist normalerweise für den linearen Betriebsbereich des Verstärkers spezifiziert.

Hier folgt die Änderung der Ausgangsleistung der Änderung der Eingangsleistung (Bild 1) linear. Wenn man den Leistungspegel eines Eingangssignals, das einen HF-Verstärker durchläuft, jedoch kontinuierlich steigert, geht der Baustein irgendwann in einen nichtlinearen Betrieb über und es entstehen störende Frequenzanteile.

Diese Frequenzen, die aus Harmonischen und Intermodulationsprodukten bestehen (H2, IMD2 und IMD3 in Bild 2), werden durch die Intermodulationsverzerrungen (IMD = intermodulation distortion) repräsentiert, die am Ausgang des HF-Verstärkers auftreten.

Linearität, Rauschen, Bandbreite, Pegel und Funktionen des HF-Verstärkers

Bild 1: Ausgangsleistungscharakteristik eines HF-Verstärkers und seiner nichtlinearen Parameter.
Bild 1: Ausgangsleistungscharakteristik eines HF-Verstärkers und seiner nichtlinearen Parameter.
(Bild: ADI)

Die Fähigkeit eines HF-Verstärkers unterschiedliche Leistungspegel am Eingang zu verkraften, ohne signifikante Verzerrungen zu generieren, beschreibt seine Linearität. Die Linearität wird durch OP1dB, PSAT und IIP2/3 sowie OIP2/3 beschrieben (Bild 1).

Der Ausgangs-1-dB-Kompressionspunkt (OP1dB) definiert den Ausgangsleistungspegel, bei dem sich die Verstärkung des Systems um 1 dB gegenüber einer linearen Verstärkung vermindert.

Die gesättigte Ausgangsleistung (PSAT) ist der Leistungspegel, der erreicht wird, wenn eine Änderung der Eingangsleistung den Ausgangsleistungspegel nicht weiter verändert.

Die Schnittpunkte zweiter (IP2) und dritter Ordnung (IP3) sind hypothetische Punkte für den Eingang (IIP2, IIP3) und Ausgang (OIP2, OIP3), bei denen die Störkomponenten den gleichen Pegel wie das verstärkte Nutzsignal erreichen. würden.

Bild 2: Harmonische und Intermodulationsprodukte sind durch H2, IMD2 und IMD3 beschrieben.
Bild 2: Harmonische und Intermodulationsprodukte sind durch H2, IMD2 und IMD3 beschrieben.
(Bild: ADI)

Neben der Pegelanhebung spielen die Linearität, das Rauschen, die Bandbreite, der Wirkungsgrad und diverse Funktionen bei der Wahl des am besten geeigneten HF-Verstärkers eine wichtige Rolle. Aus diesem Grund ist die Entwicklung eines HF-Verstärkers immer ein Kompromiss.

Zahlreiche Bausteine wurden entwickelt, um unterschiedliche Kombinationen von Leistungscharakteristika zu liefern, die für verschiedene Anwendungsfälle eine möglichst breite Palette an Lösungen bieten.

Leitfaden zur Auswahl eines HF-Verstärkers

Im Folgenden stelle ich Ihnen einen kurzen Leitfaden vor, mit dem Sie den am besten geeigneten HF-Verstärker für Ihre Anwendung auswählen können.

Rauscharme Verstärker (LNA = low-noise amplifier): LNAS werden oft in Empfängeranwendungen eingesetzt, wo sie schwache Signale direkt am Front End des Signalpfads verstärken, die von einer Antenne kommen.

Dieser Verstärkertyp ist darauf optimiert, dem Nutzsignal nur minimales zusätzliches Rauschen hinzuzufügen. Minimales Rauschen ist besonders wichtig in den vorderen Stufen einer Signalkette, weil dort der Beitrag zum Rauschmaß des Gesamtsystems am größten ist.

Verstärker mit geringem Phasenrauschen (LPNA = low phase noise amplifier): LPNAs bieten ein minimales zusätzliches Phasenrauschen, was sie zur Wahl in HF-Signalketten macht, die ein hohe Signalintegrität benötigen.

Phasenrauschen hat einen geringen Abstand von Träger, was sich als Jitter auswirkt, der durch kleine Schwankungen in der Phase eines Signals im Zeitbereich charakterisiert ist. Deshalb sind Verstärker mit geringem Phasenrauschen ideal in Kombination mit Hochleistungs-PLL-Synthesizern in schnellen Takt- und LO-Netzwerken.

Leistungsverstärker (PA = power amplifier): Leistungsverstärker sind auf die Handhabung großer Leistungen optimiert und werden in Applikationen eingesetzt, die hohe Leistungspegel erfordern, z. B. Sender-Systeme.

Diese Verstärker sind üblicherweise durch eine hohe OP1dB oder PSAT charakterisiert, was einen hohen Wirkungsgrad sicherstellt, wodurch wiederum nur eine geringe Verlustwärme abgeführt werden muss.

Verstärker mit hoher Linearität: Diese Verstärker haben einen hohen IP3 (Schnittpunkt dritter Ordnung) mit nur minimalen Verzerrungen über einen weiten Bereich an Eingangsleistungspegeln. Dieser Bausteintyp ist eine übliche Wahl für Kommunikationsanwendungen, die komplexe modulierte Signale verwenden.

Sie benötigen einen HF-Verstärker, der hohe Crest-Faktoren mit minimalen Signalverzerrungen handhaben kann, um geringe Bitfehlerraten sicherzustellen.

Verstärker mit variabler Verstärkung (VGA = variable gain amplifier): VGAs werden in Anwendungen eingesetzt, die Veränderungen des Signalpegels mit einer flexiblen Verstärkungsregelung erfordern. VGAs bieten diese Funktion mit einer justierbaren Verstärkung, die entweder digital in Schritten bei digital gesteuerten VGAs oder kontinuierlich mit analog gesteuerten VGAs erfolgt.

Diese Verstärkerart wird häufig für die automatische Verstärkungsregelung (AGC = automatic gain control) und zur Kompensierung der Verstärkungsdrift aufgrund von Temperaturänderungen oder veränderten Eigenschaften weiterer Komponenten eingesetzt.

Breitband-Verstärker: Breitband-Applikationen profitieren von einem Breitband-Verstärker, der eine moderate Verstärkung über einen großen Frequenzbereich liefert, der häufig mehrere Oktaven umfasst. Diese Verstärker bieten ein großes Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt, das allerdings häufig auf Kosten eines nur mäßigen Wirkungsgrads und hohen Rauschens geht.

Treiberverstärker (gain blocks): Andere Standard-HF-Anwendungen können auch auf Verstärkerblöcken (gain blocks) basieren, die ein große Kategorie an HF-Verstärkern repräsentieren, welche unterschiedliche Frequenzbereiche, Bandbreiten, Verstärkungen und Ausgangsleistungspegel abdecken.

Diese Verstärker besitzen normalerweise einen gleichmäßigen Amplitudengang und eine gute Rückflussdämpfung. Ihre Designs enthalten oft Anpassungs- und Bias-Schaltungen, was ihre Integration in die Signalkette vereinfacht, da sie nur noch wenig externe Komponenten benötigen.

Fazit: Ich habe hier nur einige Beispiele aus der Vielfalt von HF-Verstärkern und ihren Anwendungen betrachtet. HF-Verstärker werden mit unterschiedlichen Montage- und Prozesstechniken entwickelt, mit denen unterschiedliche Eigenschaften integriert, spezieller Betriebsarten unterstützt und Leistungscharakteristika optimiert werden.

Damit wird eine große Palette an Applikationen abgedeckt, die von Kommunikations- und industriellen Systemen bis hin zu Test- und Messsystemen sowie Luft- und Raumfahrtsystemen reicht.

* Anton Patjuschenko arbeitet als HF-Applikationaingenieur bei Analog Devices in München.

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