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12-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Titelstory LNA mit

Titelstory LNA mit konstanter Rauschzahl von 0,5 bis 8,0 GHz Bild 1: PMA3 83 LN+LNA Bild 2: Verhalten bei verschiedenen Temperaturen Dieser monolithische SMT-Verstärker kombiniert niedrige Rauschzahl mit hoher Verstärkung über eine große Bandbreite von 0,5 bis 8,0 GHz. Mini-Circuits www.minicircuits.com Microwaves & RF Jack Browne Verstärker mit niedrigem Rauschen sind normalerweise schmalbandig und erreichen das ausgezeichnete Rauschverhalten durch präzise Impedanzanpassung über einen geforderten Bereich. Der rauscharme Verstärker (LNA) Modell PMA3-83 LN+ von Mini Circuits bricht mit dieser Tradition und erreicht eine beeindruckende Rauschzahl von 1,3 dB über den Bereich von 0,5 bis 8 GHz. Zugegebenermaßen bieten handelsübliche Verstärker oft Rauschzahlen von unter 1 dB, allerdings fehlt ihnen dann die Bandbreite des PMA3 83 LN +. Die große Bandbreite, zusätzlich zur beachtlichen Kleinsignalverstärkung und der respektablen Ausgangsleistung bei 1dB Kompression, machen diesen Verstärker zu einem starken Kandidaten für Anwendungen in Breitband- Front-end-Anwendungen bis 8 GHz, sowie für Einzellösungen für eine Vielfalt von Applikationen bis über diese obere Frequenzgrenze. Der breite Frequenzbereich, bei gleichzeitig derart niedriger Rauschzahl macht den Verstärker zur einer attraktiven Lösung für einen weiten Bereich von Applikationen in kommerziellen, industriellen, militärischen und Test- und Instrumentations- Märkten. Zusätzlich zum Einsatz in einer Vielzahl verschiedener Funkempfänger in diesem Frequenzbereich, kann die niedrige Rauschzahl des LNA auch zu verbessertem Verhalten von GPS-Satelliten-Empfängern führen, die bei 1,575 GHz arbeiten, sowie in S- und C-Band- Satelliten-Kommunikationsgeräten (Satcom). Wenn man zum Beispiel jeweils nur einen Teil der gesamten Bandbreite des LNA verwendet, kann dieser Verstärker zahlreiche Applikationen mit oktavbreiten Bändern (z.B. 2 bis 4 GHz) unterstützen. Der Verstärker kann dabei helfen, S-Band- Radar-Empfänger zu miniaturisieren, ohne die Gesamtleistung zu verschlechtern. Er kann in Wetter-Radar-Applikationen in diesem Frequenzbereich sowie in maritimen Funksystemen eingesetzt werden. Der Empfänger lässt sich auch in vielen Satcom-Systemen verwenden, die im S-Band arbeiten, einschließlich in mobilen Satelliten-Service-Systemen (MSS). Außerdem werden S-Bandfrequenzen zunehmend in medizinischen Anwendungen verwendet, wie z.B. in medizinischen Linear- Beschleuniger für Strahlungsbehandlung. Natürlich kann der Verstärker auch für Mehrband- Anwendungen genutzt werden, die sonst mehrere LNAs erfordern würden, um die gewünschte Kombination aus Verstärkung und Rauschzahl zu erreichen. Der PMA3 83 LN+LNA (Bild 1) ist ein MMIC-Verstärker, der auf pHEMT-Halbleitertechnologie basiert. Er ist in einem sehr flachen, MCLP-Gehäuse mit 12 Anschlusskontakten untergebracht (die meisten werden nicht benutzt oder zur Masseverbindung) und sehr gut an 50 Ohm angepasst, um das niedrige Rauschen und die flache Verstärkung über den Frequenzbereich hinweg zu erhalten. Dank seiner geringen Abmessungen lässt sich das Gehäuse bequem auch auf dicht gepackten Boards unterbringen. Es sorgt auch für einen wirkungsvollen thermischen Pfad für jegliche Wärme, die im Verstärker erzeugt wird. Mit geerdetem Paddle des Gehäuses hat der Verstärker eine zuverlässige thermische und elektrische Verbindung mit der Leiterplatte. Das SMT-Gehäuse hat Abmessungen von nur 3 x 3 x 0,89 mm. Wie bei den meisten LNAs wurde auch dieser Verstärker hinsichtlich Rauschen, Verstärkung und anderen Parametern bei Raumtemperatur (+25 °C) charakterisiert, und arbeitet einwandfrei unter diesen Bedingungen. Der LNA benötigt eine einzelne Spannungsquelle mit 5 oder 6 V DC wobei die Leistung ein wenig abhängig von der Bias- Spannung ist. Beim Test mit einer Bias-Spannung von +5 V beträgt die Rauschzahl typisch 1,5 dB bei 0,5 GHz und steigt bis auf 2,06 dB (typ.) bei 8 GHz. Die Verstärkung beträgt typisch 21 dB bei 0,5 GHz unter den gleichen Bias-Konditionen und fällt bis 8 GHz auf 19 dB ab. Bei +5 V DC erreicht die Ausgangs- 6 hf-praxis 12/2015

Titelstory leistung bei 1 dB Kompression typisch +19,7 dBm bei 0,5 GHz und +17,7 dBm bei 8 GHz. Auch mit der niedrigen Betriebsspannung liefert der kleine Verstärker bei 3 dB Kompression (IP3) einen recht respektablen Output von +37 dBm bei 2 GHz und +29,3 dBm an der oberen Bandgrenze 8 GHz. Der LNA kann auch mit einer sehr guten und Ein- und Ausgangs-Rückflussdämpfung aufwarten: Sie beträgt am Eingang 14 dB bei 0,5 GHz und fällt bis 8 GHz auf 8 dB ab. Die typische Ausgangs- Rückflussdämpfung erreicht 12,8 dB bei 0,5 GHz und fällt bis 8 GHz auf 12,8 dB ab, wobei alle Werte für die Rückflussdämpfung bei einer Biasspannung von +5 V DC gemessen wurden. Bei Raumtemperatur hat der Verstärker einen flachen Frequenzgang mit ±0,7 dB Welligkeit von 0,5 bis 7 GHz und ±1,1 dB über die volle Badbreite von 0,5 bis 8 GHz. Wenn die Bias-Spannung auf +6 V DC erhöht wird, bleibt die Rauschzahl unverändert, bei einer kleinen Verstärkungserhöhung und einem erwarteten Anstieg der Ausgangsleistung. Beispielsweise hat das Modell PMA3-83LN+ jetzt eine Rauschzahl von typisch 1,53 dB bei 0,5 GHz und 2.06 dB bei 8 GHz. Bei +6 V DC steigt die Verstärkung typisch auf 21,7 dB bei 0,5 GHz und 19,8 dB bei 8 GHz. Die Ausgangsleistung bei -1-dB-Komppression erreicht +22,2 dBm typ. bei 0,5 GHz Bild 3: Rauschzahl des Verstärkers und +18,6 dBm bei 8 GHz. Die IP3-Leistung ist etwas höher mit der größeren Bias-Spannung und erreicht +34,0 dBm bei 0,5 GHz bzw. +29,3 dBm an der oberen Frequenzgrenze von 8 GHz. Strombedarf ESD-Rating (HBM) ESD-Rating (MM) MSL-Rating Natürlich ist dieses insgesamt solide Verhalten bei Raumtemperatur nur ein kleiner Ausschnitt aus dem Leistungsspektrum des PMA3-83LN+, der auch Temperaturänderungen hervorragend verkraftet. Der Verstärker ist spezifiziert für einen weiten Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C, in dem er weitgehend mit nur geringen Unterschieden in der technischen Leistung arbeitet. Wenn die Verstärkung für den gesamten Bereich gemessen wird, bleibt sie bei -40 °C in konstanter Höhe über der Bandbreite des Verstärkers, gleiches gilt für die etwas niedrigere Verstärkung bei +85 °C (Bild 2). In ähnlicher Weise ist auch die Rauschzahl des Verstärkers über den Betriebstemperaturbereich hinweg gut kontrolliert, und zwar im gesamten Frequenzbereich (Bild 3). Beim Test mit einer Bias-Spannung von +6 V DC zeigte der LNA den erwarteten Rauschzahlabfall bei der niedrigsten Betriebstemperatur; umgekehrt ergab sich bei der höchsten Betriebstemperatur nur einer kleiner Anstieg, so dass das Rauschverhalten weitgehend dem Verlauf der Messung bei Raumtemperatur folgte. Das Ausgangs-IP3-Verhalten ist temperaturstabil, speziell bei ungefähr 3 GHz. Natürlich bietet der PMA3- 83LN+ LNA nicht die extrem niedrigen Rauschzahlen der besten (und teureren) LNAs auf dem Markt, mit Rauschzahlen von 0,5 dB oder besser bei diesen Frequenzen. Aber er ist trotzdem ein vielseitiger Baustein, der sich durch eine gelungene Kombination aus hoher Verstärkung, niedrigem Rauschen und respektabler Ausgangleistung – die alle weitgehend frequenzund temperaturabhängig sind – auszeichnet. Ein Evaluierungsboard (Modell TB-830+) steht für Entwickler zur Verfügung, die das Verhalten des Bausteins ihren eigenen Laboren verifizieren möchten. ■ Mini-Circuits www.minicircuits.com typisch 85 mA bei +6 V DC 63 mA bei +5 V DC gemäß “human body model” (HBM) Class 1A (250 to

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