Их основная задача — усиление слабых сигналов с минимальным добавлением собственных шумов, что критически важно для сохранения высокого отношения сигнал/шум (SNR).
В этой статье рассмотрены основные типы МШУ, их топологии, методы проектирования и актуальные применения.
В настоящее время МШУ широко используются во входных каскадах систем сбора и обработки аналоговых сигналов, радиоприёмных устройств различных частотных диапазонов, системах спутниковой и сотовой связи, а также радиолокационных устройствах.
Благодаря экстремально низкому собственному коэффициенту шума МШУ позволяют усиливать и обрабатывать сигналы, находящиеся на уровне атмосферных помех.
1. Принципы работы МШУ
МШУ проектируются для работы в условиях, когда входной сигнал сопоставим с уровнем тепловых и атмосферных помех.
Ключевые параметры:
- Коэффициент шума (NF) — определяет, насколько усилитель ухудшает SNR. Идеальный МШУ имеет NF ≈ 0 дБ.
- Коэффициент усиления (Gain) — обычно 10–30 дБ для предварительного усиления.
- Линейность (IP3, P1dB) — важна для избежания искажений в широкополосных системах.
- Согласование импедансов — минимизация отражений на входе/выходе.
2. Топологии МШУ: сравнительный анализ
2.1. Однотранзисторные МШУ
Однотранзисторный МШУ — это усилитель слабых сигналов, построенный на основе единственного активного элемента (биполярного или полевого транзистора), оптимизированный для минимального вклада собственных шумов в усиленный сигнал. Такие усилители обеспечивают предварительное усиление в первых каскадах приёмных трактов, где критично сохранение высокого отношения сигнал/шум (SNR).
Ключевые особенности
1. Простота архитектуры:
Состоит из одного транзистора в конфигурации с общим эмиттером (BJT) или общим истоком (FET), дополненного цепями согласования и смещения.
2. Низкий коэффициент шума (NF):
Достигается за счёт:
- Выбора транзисторов с малым шумовым сопротивлением (например, GaAs pHEMT).
- Оптимального смещения рабочей точки.
- Использования вырожденной индуктивности в истоке/эмиттере.
3. Ограниченный коэффициент усиления:
Обычно 10–20 дБ, что обусловлено отсутствием дополнительных каскадов.
4. Компактность и энергоэффективность:
- Минимальная площадь на кристалле (актуально для MMIC).
- Низкое энергопотребление (подходит для портативных устройств).
Недостатки
- Сложность согласования импедансов:
- Входное и выходное сопротивления взаимозависимы, что затрудняет одновременную оптимизацию по шуму и мощности.
- Чувствительность к паразитным параметрам:
- Емкости и индуктивности монтажа могут ухудшить стабильность.
Применение: Датчики, портативные радиоприёмные устройства, научное оборудование
2.2. Многокаскадные МШУ
Многокаскадный МШУ — это усилитель, состоящий из двух или более последовательно соединенных каскадов усиления, каждый из которых выполняет определенную функцию (предварительное усиление, коррекцию параметров, согласование импедансов). Основная цель такой архитектуры — достижение высокого коэффициента усиления при сохранении низкого уровня собственных шумов во всем рабочем частотном диапазоне.
Ключевые особенности
1. Высокий коэффициент усиления (30-50 дБ и более):
- Достигается за счет умножения усиления отдельных каскадов
- Позволяет усиливать чрезвычайно слабые сигналы (до -120 дБм)
2. Оптимизированное распределение шумовых параметров:
- Первый каскад проектируется с минимальным NF (основной вклад в шум)
- Последующие каскады обеспечивают основное усиление
3. Гибкость проектирования:
- Возможность раздельной оптимизации каскадов по:
- Шумовым характеристикам (входной каскад)
- Линейности (промежуточные каскады)
- Мощности (выходной каскад)
Преимущества и недостатки
Преимущества:
• Возможность достижения экстремально высокого усиления
• Лучшие шумовые параметры по сравнению с однотранзисторными решениями
• Улучшенная линейность (за счет распределения усиления)
• Гибкость при проектировании под конкретные требования
Недостатки:
• Увеличенные габариты и энергопотребление
• Сложность обеспечения стабильности (риск самовозбуждения)
• Необходимость тщательного согласования между каскадами
• Более высокая стоимость реализации
Применение: Радиолокация, спутниковая связь, научное оборудование, медицинская диагностика.
2.3. Каскодные МШУ
Каскодный МШУ — это двухтранзисторная схема усилителя, в которой транзисторы соединены последовательно (каскадно), образуя гибридную структуру с общим эмиттером/истоком (первый транзистор) и общей базой/затвором (второй транзистор). Такая конфигурация сочетает преимущества разных схем включения для достижения оптимальных шумовых характеристик, высокого усиления и стабильности.
Ключевые особенности и преимущества
1. Улучшенные частотные характеристики:
- Подавление эффекта Миллера за счет низкого входного сопротивления второго транзистора
- Расширенная полоса пропускания по сравнению с однотранзисторными схемами
2. Высокая стабильность:
- Улучшенная обратная изоляция (до 20-30 дБ лучше)
- Меньшая склонность к самовозбуждению
3. Оптимальное согласование:
- Раздельная оптимизация входного и выходного сопротивлений
- Возможность независимой настройки по шуму и мощности
4. Универсальность:
- Реализация как на биполярных (BJT), так и на полевых (FET) транзисторах
- Совместимость с различными полупроводниковыми технологиями (Si, GaAs, SiGe)
Применение: Базовые станции 5G, ВЧ-приёмники, измерительная аппаратура
2.4. Широкополосные МШУ
Широкополосный МШУ — это усилитель, обеспечивающий стабильное усиление с низким уровнем шумов в широком диапазоне частот (от единиц МГц до десятков ГГц). В отличие от узкополосных усилителей, он сохраняет постоянные параметры (коэффициент усиления, согласование импедансов, коэффициент шума) во всей рабочей полосе частот.
Ключевые характеристики
1. Широкая полоса пропускания:
- Типовые диапазоны: DC-6 ГГц, 2-18 ГГц, 18-40 ГГц
- Отношение верхней/нижней частоты может достигать 10:1 и более
2. Стабильность параметров:
- Колебания усиления в полосе: ±1-2 дБ
- Коэффициент стоячей волны (VSWR) < 2:1
- Коэффициент шума (NF) 1-3 дБ во всем диапазоне
3. Особые требования:
- Линейность фазовой характеристики
- Низкий уровень интермодуляционных искажений
- Хорошая переходная характеристика
Для работы в широком диапазоне частот (например, DC–30 ГГц) применяются:
- Резистивная обратная связь — снижает усиление, но улучшает стабильность.
- Распределённые элементы (линии передачи) — обеспечивают согласование в УВЧ-диапазоне.
Пример: Усилители для SDR (программно-определяемого радио).
Применение: системы связи, измерительная техника, военное применение, научные исследования.
3. Критерии выбора топологии
Выбор архитектуры зависит от требований системы:
|
Параметр |
Однотранзисторный |
Многокаскадный |
Каскодный |
Широкополосный |
|
Уровень шума (NF) |
Низкий |
Средний |
Низкий |
Средний/Высокий |
|
Коэффициент усиления |
Низкий (10–15 дБ) |
Высокий (30–50 дБ) |
Средний (20–30 дБ) |
Зависит от полосы |
|
Потребляемая мощность |
Минимальная |
Высокая |
Средняя |
Средняя/Высокая |
|
Применение |
IoT-датчики |
Радары |
5G |
SDR, телекоммуникации |
