È normalmente impegnativo e difficile gestire i segnali RF nei circuiti fisici. Sono segnali intrinsecamente ad alta frequenza (GHz e oltre sono luoghi comuni ora), di solito hanno livelli a bassa tensione (quella nominale 1 V al massimo, ma spesso ben inferiore), accumulano rapidamente rumore aggiuntivo proveniente da molte fonti, sono facilmente sovraccaricati e non hanno una capacità di azionamento. Pertanto, è necessario usare un amplificatore RF (spesso abbreviato nella parola “amp,” ma non deve essere confuso con la corrente e gli ampere) per modificare e aumentarlo, ove necessario.
Tre sono le principali funzioni che gli amplificatori RF forniscono (figura 1).
Figura 1: Questo simbolo schematico, standard e semplice di un amplificatore non mostra l'ampia varietà di utenti, applicazioni, funzioni o ruoli che l'amplificatore deve supportare, anche se non fornisce alcuna elaborazione di segnale o modifica della forma del segnale (le connessioni di potenza e di messa a terra non sono mostrate.
1) Guadagno: questo è necessario quando l'ampiezza del segnale RF è minuscolo e troppo basso per essere utile ovunque nel circuito, deve essere aumentato, in modo tale che il SNR complessivo (rapporto segnale-rumore) non si deteriorirà quando il segnale passa attraverso il resto del circuito o la sua ampiezza deve corrispondere alla portata di ingresso di un componente come quella di un convertitore A/D. Molti segnali RF, come quelli di un'antenna, hanno una portata in microvolt (μV) o millivolt (mV), mentre i circuiti di elaborazione del segnale funzionano più efficacemente con segnali che hanno un valore massimo tipico compreso tra 1 e 10 V (a seconda del design). Un'amplificatore con guadagno si concentra su una cosa: aumentare il livello del segnale mentre si aggiunge il minimo rumore o distorsione. Gli amplificatori con guadagno studiati per essere usati con segnali di livello estremamente bassi, come quelli di un'antenna, normalmente vengono chiamati amplificatori a basso rumore (LNA). Alcuni amplificatori RF offrono un singolo valore a guadagno fisso, mentre altri consentono all'utente di selezionare tra i valori a guadagno fisso (quali ×10 e ×100 o ×2, ×4, ×8, ×16) attraverso un ponticello esterno o resistore. Un altro tipo di amplificatore RF, chiamato amplificatore a guadagno variabile (VGA), consente all'utente di impostare e cambiare il guadagno richiesto entro un'ampia gamma, utilizzando un resistore fisico esterno, un resistore programmabile in modo digitale o una tensione di controllo analogica (di solito compresa tra 0 e 1 V).
2) Memoria tampone: questa è necessaria quando una funzione o segnale del circuito deve mantenere la sua forma ed ampiezza, anche se il carico cambia o si deve collegare ad un carico che è maggiore rispetto a quello che può normalmente accettare (impedenza inferiore o reattiva). Per esempio, un segnale amplificato a ±1 V da un'uscita dell'antenna LNA può avere bisogno di collegarsi ad un'altra fase che provoca induttanza. L'amplificatore della memoria tampone garantisce che la presenza di questa induttanza non influisce sulla fedeltà del segnale a ±1 V o induce una distorsione. UN amplificatore della memoria tampone RF può anche essere usato per abbinare (attraverso il coniugato complesso) l'impedenza dell'uscita del circuito che sta alimentando un segnale con l'impedenza dell'ingresso del circuito di carico, per massimizzare il trasferimento di potenza. Oltre alla gamma di frequenza una specifica critica per le memorie tampone è la portata dei carichi resistivi e reattivi che può condurre senza distorsione del segnale.
3) Driver: un ruolo primario del driver dell'amplificatore RF è quello di alimentare e far penetrare sufficiente corrente sulla frequenza operativa per condurre un carico a bassa impedenza, come un cavoΩ coassiale 50 o 75. I driver RF possono essere anche considerati come amplificatori di potenza RF, quando il loro ruolo è quello di fornire un aumento di potenza (corrente e/o tensione) per condurre un carico come quello di un'antenna. La velocità di risposta (dI/dt) e la capacità di penetrazione/alimentazione che devono fornire con una corrente sufficiente è abbastanza alta per le frequenze alle quali operano questi amplificatori RF al di là delle capacità di un amplificatore RF con memoria tampone per scopi generali.
Alcuni driver forniscono un guadagno, mentre altri hanno un guadagno fisso per unità. Oltre a ciò questi driver spesso collegano “fuori la scatola” ai cavi e alle interfacce gestite dagli utenti e, pertanto, sono normalmente progettati per resistere ai cortocircuiti a terra e ai binari di potenza DC (sia che si tratti di una conseguenza dell'errore da parte dell'utente oppure di un guasto alla connessione). I parametri principali di questi driver sono il livello di alimentazione/penetrazione, nonché il cortocircuito e altri livelli di “resistenza” al mancato collegamento per tempo e tensione applicata.
Esempi che mostrano le diversità degli amplificatori RF
Notare che alcuni amplificatori RF abbinano più di una funzione base in un singolo dispositivo. Per esempio, è possibile trovare una memoria tampone che ha anche un guadagno. In alcuni casi è possibile scegliere delle interessanti distinte base materiali (BOM); in altri casi il circuito necessita di specifiche sulle prestazioni che possono essere soltanto soddisfatte da amplificatori a singola funzione RF di messa a fuoco, che non hanno impedimenti intrinsechi, che a volte sono inevitabili con dispositivi multifunzione.
Un buon esempio di amplificatore RF a basso rumore è BGM781N11 di Infineon Technologies AG, che è stato ottimizzato per prestazioni a 1575,42 MHz per prodotti di navigazione satellitare GPS e Galileo (figura 2). In questa applicazione l'intensità del segnale RF è intrinsecamente molto bassa e, pertanto, un LNA base deve fornire guadagno ad una rumorosità molto bassa. Per BGM781N11 il guadagno è di 18,6 dB, mentre il livello di rumorosità è di 1,7 dB; il rifiuto fuori dalle bande cellulari adiacenti è di 80 dBc. Il dispositivo, in un piccolo pacchetto TSNP-11-2 senza piombo, richiede solo 3,3 mA da una rete di alimentazione compresa tra 1,5 V e 3,6, ivi inclusi filtri a banda stretta, per minimizzare il rumore fuori banda e viene internamente abbinato sia ad un comando che a un carico Ω di ingresso e uscita a 50, rispettivamente.
Figura 2: l'amplificatore RF a basso rumore BGM781N11 di Infineon è stato specificatamente studiato per aumentare i deboli segnali dell'antenna di un ricevitore di navigazione satellitare GPS o Galileo; non solo questo fornisce un guadagno a basso rumore, ma contiene anche le bande passanti dei filtri per sopprimere i segnali su un lato della portante 1575.42 MHz. (Fonte: Infineon Technologies)
Il prodotto LTC6431-20 di Linear Technology Corp. è una memoria tampone base con un'alta linearità che si estende a frequenze oltre 1 GHz insieme ad un basso rumore e a una dissipazione della bassa potenza (figura 3). Come il componente di Infineon viene abbinato internamente per interfacceΩ 50 sia sull'ingresso che sull'uscita da 20 MHz fino a 1,5 GHz, facilitando la sfida dell'interconnessione in design a larga banda.
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Può fornire fino a 20 dB di guadagno e viene principalmente usato come memoria tampone nelle fasi IF della catena RF. Il livello di rumorosità di questo IC è 2,6 dB a 240 MHz con una rumorosità totale all'ingresso di 0,6nV/√Hz . La memoria tampone a singola estremità preleva soltanto 93 mA da una rete di alimentazione singola a 5 V.
Figura 3: LTC6431-20 di Linear Technology Corp. opera a più di 1 GHz, mentre fornisce un guadagno di +20 dB; come memoria tampone interfase, si avrà di solito unaΩ fonte 50 e un carico 50Ω e, quindi, è stata progettata per adattarsi a queste impedenze. (Fonte: Linear Technology)
Un amplificatore rappresentativo del driver RF è MGA-30489 di’ Avago Technologies, un dispositivo a 0,25 W, altamente lineare, in un pacchetto di plastica standard SOT-89, progettato per funzionamenti compresi tra 250 MHz e 3 GHz (figura 4). Può essere facilmente adattato all'impedenza con l'infrastruttura wireless 50-Ω standard usata in applicazioni come le tecnologie wireless del cellulare/PCS/W-CDMA/WLL e della prossima generazione, per raggiungere la potenza e linearità ottimali attraverso la banda. Opera da una rete di alimentazione a 5 V, richiede 97 mA (tipico) e presenta un livello di rumorosità di 3 dB e un guadagno fisso di 13,3 dB.
Figura 4: l'amplificatore del driver RF MGA-30489 di Avago Technologies’ può erogare una potenza RF fino a 0,25 W da 250 MHz e 3 GHz e, pertanto, è molto adatto per condurre cavi coassiali, nonché antenne. (Fonte: Avago Technologies)
Il semplice termine “amplificatore RF” comprende effettivamente una serie molto ampia di funzioni dell'amplificatore all'interno dello spettro RF, da una portata di alcuni MHz a pluri GHz. Sebbene l'amplificatore RF non modifica la forma del segnale, né esegue alcuna elaborazione del segnale analogico, svolge tuttora dei ruoli vitali e differenti ad ogni fase della catena del segnale. Tra questi c'è l'amplificazione di base typified da LNA o l'abbinamento dei segnali per convertire la distanza; fungendo da memoria tampone per i segnali RF, in modo tale che ogni fase della catena del segnale opera in modo indipendente dalle fasi precedenti e successive, erogando la potenza del segnale necessario per condurre carichi a bassa impedenza o non resistivi ad alta velocità con la minima distorsione.
Alcuni parametri dell'amplificatore RF sono comuni a tutte queste (e altre) applicazioni, ma ci sono anche parametri che sono più importanti e di rilievo in alcune funzioni dell'amplificatore RF rispetto ad altre. Inoltre, ci sono amplificatori RF che associano due o più funzioni base dell'amplificatore, tuttavia i dispositivi a singola funzione sono ancora molto popolari, poiché possono fornire il massimo nelle prestazioni, se necessario.