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© Analog Devices Application Notes | 18 Februar 2022

Leitfaden zur Auswahl des richtigen HF-Verstärkers

HF-Verstärker gibt es in allen möglichen Typen und Formen um unterschiedliche Anwendungsszenarien abzudecken. Die große Vielfalt an heute verfügbaren HF-Verstärkern macht es jedoch nicht gerade einfach, den am besten für die jeweilige Zielapplikation geeigneten Baustein auszuwählen.

Obwohl die Haupteigenschaft von nahezu allen HF-Verstärkern die Verstärkung ist, ist sie definitiv nicht der einzige und häufig nicht einmal der bestimmende Parameter, den man bei der richtigen Auswahl beachten muss.

Die Verstärkung gibt an, um wieviel ein HF-Verstärker ein Signal im Pegel anhebt, repräsentiert durch das Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung in dB. Dieser Gewinn ist normalerweise für den linearen Betriebsbereich des Verstärkers spezifiziert. In diesem Bereich 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, beginnt der Baustein irgendwann damit in einen nichtlinearen Betrieb überzugehen und störende Frequenzanteile zu generieren. Diese unerwünschten Frequenzanteile, die aus Harmonischen und Intermodulationsprodukten bestehen (siehe H2, IMD2 und IMD3 in Bild 2), werden durch die Intermodulationsverzerrungen (IMD = intermodulation distortion) repräsentiert, die am Ausgang des HF-Verstärkers auftreten. Die Fähigkeit eines HF-Verstärkers unterschiedliche Leistungspegel am Eingang zu verkraften, ohne signifikante Verzerrungen zu generieren, beschreibt seine Linearität, die hinsichtlich verschiedener Parameter ausgedrückt werden kann (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 1: Ausgangsleistungscharakteristik eines HF-Verstärkers und seiner nichtlinearen Parameter
Bild 2: Harmonische und Intermodulationsprodukte

Obwohl der Pegelanhebung die Hauptaufgabe eines HF-Verstärkers beschreibt, ist sie bei weitem nicht die einzige Eigenschaft, die man beachten muss, wenn man die optimale Lösung für eine gewünschte Anwendung auswählt. Die Linearitätscharakteristika repräsentieren eine große Palette an weiteren Parametern, die es in vielen Fällen zu beachten gibt. Ebenso wichtig können aber auch das Rauschen, die Bandbreite, der Wirkungsgrad, diverse funktionale Eigenschaften und viele weitere Leistungsmerkmale sein, die wichtige Entscheidungsfaktoren bei der Wahl des am besten geeigneten HF-Verstärkers spielen. 

Aus diesem Grund ist die Entwicklung eines HF-Verstärkers - immer ein Kompromiss zwischen unterschiedlichen Parametern, was zur Vielzahl an existierenden Typen dieser Bausteine führt. Sie wurden entwickelt, um unterschiedliche Kombinationen an Leistungscharakteristika zu liefern, die für verschiedene Anwendungsfälle eine möglichst breite Palette an Lösungen bieten. Im Folgenden wird ein kurzer Leitfaden geboten, um den am besten geeigneten HF-Verstärker für die Zielanwendung auszuwählen.

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 Typ von HF Verstärkern ist darauf optimiert, dem Nutzsignal bei deiner Funktion 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 idealen 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 

Verstärker hoher Linearität sind so entwickelt, dass sie einen hohen IP3 (Schnittpunkt dritter Ordnung) mit nur minimalen Verzerrungen über einen weiten Bereich an Eingangsleistungspegeln haben. 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 variablem Gewinn (VGA = variable gain amplifier)

VGAs werden in Applikationen 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 erfolgen kann. 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

Facettenreiche Breitband-Applikationen profitieren von einem Breitband-Verstärker, der dazu entwickelt ist, einen moderaten Gewinn über einen großen Frequenzbereich zu liefern, 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 Biasing-Schaltungen, was ihre Integration in die Signalkette vereinfacht, da sie nur noch ein Minimum an externen Komponenten benötigen.

Hier wurden nur einige Beispiele von HF-Verstärkern und ihre Anwendungen betrachtet. Die große Vielfalt dieser Bausteine und ihrer zahlreichen Anwendungsfälle, für die sie entwickelt wurden, gehen jedoch weit über diesen kurzen Artikel hinaus. HF-Verstärker können mit unterschiedlichen Montage- und Prozesstechniken entwickelt werden, um die unterschiedlichsten integrierten Eigenschaften, Unterstützung spezieller Betriebsarten und optimierte Leistungscharakteristika zu erzielen. 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.


About the Author: Anton Patyuchenko received his Master of Science in microwave engineering from the Technical University of Munich in 2007. Following his graduation, Anton worked as a scientist at German Aerospace Center (DLR). He joined © Analog Devices as a field applications engineer in 2015 and is currently providing field applications support to strategic and key customers of Analog Devices specialising in RF applications.

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