Aktivne komponente v RF vezjih

Uvod v RF principe in komponente
Spoznajte aktivne komponente, ki se uporabljajo v RF sistemih.

Tako kot pri pasivnih komponentah tudi aktivne komponente, ki se uporabljajo v RF vezjih, imajo številne lastnosti z aktivnimi komponentami, ki jih običajno najdemo v analognih sistemih nižje frekvence. Vendar pa obstajajo nekatere komponente, ki so zelo značilne za RF zasnovo. Poleg tega se pogosto uporabljajo različne polprevodniške tehnologije, ki zagotavljajo, da RF komponente ohranjajo ustrezne zmogljivosti na zelo visokih frekvencah.

ojačevalniki
Ojačevalna vezja, pogosto zgrajena okoli operacijskega ojačevalnika, so izredno pogosta tako pri nizkofrekvenčni kot visokofrekvenčni analogni zasnovi. V RF sistemih obstajata dve temeljni vrsti ojačevalnikov: ojačevalniki moči in ojačevalniki z nizkim hrupom. Prve se uporabljajo za povečanje stopnje moči RF signala pred oddajo, druge pa se uporabljajo za ojačanje (pogosto zelo majhnih) signalov, ki jih antena prejme.

Ojačevalniki moči
Ojačevalnik moči ali PA se uporablja za povečanje stopnje moči signala, preden je poslan anteni. Podobna situacija je v zvočnih vezjih: amplituda zvočnega signala je lahko glede na napetost popolnoma primerna, vendar je potreben ojačevalnik moči, ki napaja velike količine toka v zvočniško tuljavo. Pri zvoku več toka ustreza večji moči, to pa posledično ustreza več glasnosti. V RF višja moč pomeni daljši doseg.

Ojačevalniki z nizkim hrupom
Obstaja veliko programov, ki niso RF, ki potrebujejo ojačanje z nizkim nivojem hrupa, vendar je poseben stavek "ojačevalnik z nizkim nivojem hrupa" pogost le v kontekstu RF. Pravzaprav običajno slišimo skrajšano različico izraza, tj. LNA.

Sprejeti signal, ki ga odda antena, je lahko zelo nizke, poleg tega pa je pokopan v hrupu. Ta signal je treba ojačati za nadaljnjo obdelavo, pomembno pa je tudi, da se čim bolj zmanjša degradacija razmerja signal-šum. Tako je ojačevalnik z nizkim nivojem hrupa zasnovan tako, da zagotavlja visok porast napetosti, hkrati pa prispeva k minimalnemu hrupu.

Učinkovitost hrupa LNA je količinsko ovrednotena s pomočjo „številke hrupa“ (NF), kar ustreza količini degradacije SNR (v dB), ki jo ustvari ojačevalnik. Tako bi idealen ojačevalnik imel NF = 0 dB, in ko se zmogljivost hrupa zmanjšuje, se NF poveča.

Mešalniki
Druga temeljna RF komponenta je mešalnik. To ime je lahko zavajajoče; RF mešalnik ne združuje signalov, kot to počne zvočni mešalnik. Namesto tega RF mešalnik sprejme dve vhodni frekvenci in ustvari tretjo izhodno frekvenco z množenjem. Z drugimi besedami, mešalnik izvaja frekvenčno prevajanje.




Mešalniki omogočajo, da se signali preusmerijo na višje ali nižje frekvence na način, ki vzdržuje podrobnosti signala. Na primer, signal baznega pasu, ki nosi informacijo (tj. Moduliran), se lahko preusmeri na višjo frekvenco, ki je primerna za brezžični prenos, odposlani signal pa bo ohranil pomembne podrobnosti modulacije, ki so bile prisotne v signalu osnovnega pasu.

Fazno zaklenjene zanke
Dejansko generiranje periodičnega signala je bolj povezano z domeno pasivnih komponent, vendar se za upravljanje teh periodičnih signalov uporabljajo aktivne komponente. Fazno zaklenjena zanka (PLL) je pravzaprav sistem podkomponent - vsaj fazni detektor, nizkoprepustni filter, napetostno krmiljeni oscilator (VCO) in frekvenčni delilnik - ki omogoča najrazličnejše izhodne frekvence ustvarjajo iz ene vhodne frekvence.

Kombiniranje PLL z visoko natančnim temperaturno kompenziranim oscilatorjem pretvori zelo natančno, a fiksno referenčno frekvenco v sistem, ki lahko ustvari zelo natančne, vendar spremenljive izhodne frekvence. Oscilator v kombinaciji s PLL se imenuje sintetizator, tj. Komponenta, ki lahko ustvari obseg frekvenc.

Ta sposobnost prilagajanja frekvence oscilatorja je pri RF zasnovi zelo pomembna. Za preprečevanje motenj bo morda moral določen sistem delovati na različnih kanalih, zato mora biti nihajno vezje nastavljivo glede na frekvenco. Poleg tega je lahko frekvenčni razmik med sosednjimi kanali sorazmerno majhen, zato morajo biti nastavitve natančne.

Pretvorniki podatkov

Čeprav to ni standardna komponenta v okviru zgodovinskega RF inženiringa, je pomembno prepoznati, da so analogno-digitalni pretvorniki (ADC) in digitalno-analogni pretvorniki (DAC) vse bolj pomembni v mnogih RF sistemih. 

ADC-ji in DAC-ji omogočajo RF sistemom, da izkoristijo posebne zmogljivosti, ki jih ponujajo tehnike obdelave digitalnih signalov, in splošno prožnost in udobje, povezano s programskimi rešitvami.

Izraz "programsko določen radio" (SDR) se nanaša na brezžične komunikacijske sisteme, ki se zanašajo na programsko opremo za izvajanje pomembnih delov RF signalne verige. Pretvorniki podatkov so kritični sestavni deli takšnih sistemov - na primer, DAC bi lahko uporabili za neposredno generiranje valovne oblike baznega pasu ali ADC lahko uporabili za digitalizacijo prejetega valovnega pasu osnovnega pasu (ki mu sledi nadaljnja analiza v digitalnem signalnem procesorju).

 

SDR lahko vnesejo dodatno zapletenost oblikovanja, vendar ponujajo tudi prednosti, ki so še posebej dragocene v določenih aplikacijah.

RF polprevodniki

Silicij je še vedno prevladujoč material v proizvodnji polprevodnikov. Vendar so drugi materiali bolj združljivi z visokimi frekvencami signala, ki so prisotni v RF sistemih. 

Trije alternativni materiali, ki se uporabljajo v RF polprevodnikih, so galijev nitrid (GaN), galijev arsenid (GaAs) in silicijev germanij (SiGe). Specializirane polprevodniške tehnologije omogočajo izdelavo naprav, ki vzdržujejo ustrezne zmogljivosti pri izjemno visokih frekvencah, tj. Nad 100 GHz.

Znotraj IC-ja

Kot pri nizkofrekvenčnih napravah je tranzistor temeljna aktivna komponenta v RF integriranih vezjih. Vendar smo do zdaj uporabljali besedo "komponenta" za označevanje naprav, ki so lahko sestavljene iz številnih tranzistorjev. 

Pomembno je razumeti utemeljitev tega: Oblikovanje visoko zmogljivih visokofrekvenčnih RF komponent je izredno zahtevno in ne spada v sklop spretnosti mnogih RF inženirjev. Praktični RF inženiring je osredotočen na združevanje teh komponent v funkcionalna vezja in nato reševanje različnih zapletenih vprašanj, ki se pojavljajo.

Povzetek

* Aktivne komponente, namenjene RF sistemom, lahko ponujajo specializirane funkcije ali pa nudijo standardno funkcionalnost, vendar z večjo zmožnostjo ohranjanja zmogljivosti na visokih frekvencah.

* RF ojačevalnik je na splošno kategoriziran kot ojačevalnik moči (PA) ali ojačevalnik z nizkim hrupom (LNA). Prvi zagotavlja povečanje moči pri pripravi na prenos, drugi pa zagotavlja visoko napetost in nizko stopnjo hrupa.

* RF mešalniki izvajajo frekvenčno prevajanje z množenjem dveh vhodnih signalov.

* Fazno zaklenjena zanka (PLL) se lahko kombinira z oscilatorjem, da nastane sintetizator frekvence.

* ADC in DAC so pomembni sestavni deli nekaterih RF naprav. Vse pogostejši so v sodobnih brezžičnih sistemih, bistvenega pomena pa so v programsko določenih radijih.

Pustite sporočilo 

Seznam sporočilo