一般的に、物理的な回路内でRF信号を処理するのは困難です。これらは本質的に高周波信号であり (現在ではGHz以上が一般的)、通常は電圧レベルが低く (公称最大1 Vですが、多くの場合ははるかに低い)、多くのソースからの追加ノイズがすぐに蓄積され、簡単に過負荷になり、駆動能力が不足しています。したがって、必要に応じてRFアンプ (「アンプ」と略されることが多いが、電流やアンペアと混同しないように注意) を使用して、それらを変更および増幅する必要があります。
RFアンプの機能は何ですか?
RFアンプ が提供する主な機能は3つあります (図1)。
図1: このシンプルで標準的なアンプの回路図シンボルは、アンプが信号処理や信号形状の変更を提供しないにもかかわらず (電源とグランドの接続は示されていません)、サポートしなければならないさまざまな用途、アプリケーション、機能、または役割を示していません。
RFアンプゲイン
ゲイン: RF信号の振幅が非常に小さく、回路の他の部分で役に立たないほど低い場合、信号が回路の残りの部分を通過するときに全体的なSNR (信号対雑音比) が低下しないように増幅する必要がある場合、またはその振幅がA/Dコンバータなどのコンポーネントの入力範囲と一致する必要がある場合に必要です。アンテナなどから発せられるRF信号の多くはマイクロボルト (μV) またはミリボルト (mV) の範囲ですが、信号処理回路は、設計に応じて通常最大値が1 ～ 10 Vの範囲にある信号の方がはるかに効率的に動作します。
ゲイン アンプは、ノイズや歪みを最小限に抑えながら信号レベルを高めることに重点を置いています。アンテナなどから出力される極めて低レベルの信号に使用するように設計されたゲイン アンプは、通常、低ノイズ アンプ (LNA) と呼ばれます。一部のRFアンプは単一の固定ゲイン値を提供しますが、他のアンプでは、外部ジャンパーまたは抵抗を介してユーザーが固定ゲイン値 (×10および ×100、または ×2、×4、×8、×16など) を選択できるようになっています。可変ゲイン アンプ (VGA) と呼ばれる別のタイプのRFアンプでは、外部の物理抵抗器、デジタル プログラム可能な抵抗器、またはアナログ制御電圧 (通常は0 ～ 1 V) を使用して、ユーザーが広い範囲内で必要に応じてゲインを設定および変更できます。
RFバッファアンプ
バッファ: 回路機能または信号が負荷が変化しても形状と振幅を維持する必要がある場合、または通常許容できる負荷 (低インピーダンスまたはリアクティブ) よりも大きい負荷に接続する必要がある場合に必要です。たとえば、アンテナLNA出力からの1 V増幅信号には、ある程度のインダクタンスを持つ別のステージを接続する必要がある場合があります。 ±バッファ アンプは、このインダクタンスの存在が1 V信号の忠実度に影響を与えたり、歪みを誘発したりしないことを保証します。 ±バッファRFアンプは、信号を供給する回路の出力インピーダンスを負荷回路の入力インピーダンスに（複素共役を介して）一致させ、電力の伝送を最大化するためにも使用できます。バッファの重要な仕様は、周波数範囲に加えて、信号を歪ませることなく駆動できる抵抗負荷とリアクティブ負荷の範囲です。
RFドライバアンプ
ドライバ: ドライバRFアンプの主な役割は、50 Ω または75 Ω 同軸ケーブルなどの低インピーダンス負荷を駆動するために、動作周波数で十分な電流を供給およびシンクすることです。RFドライバは、アンテナなどの負荷を駆動するための電力ブースト (電流および/または電圧) を提供することを役割とする場合は、RFパワー アンプと見なすこともできます。これらのRFアンプが動作する周波数では、十分な電流で提供しなければならないスルー レート (dI/dt) とシンク/ソース能力はかなり高く、汎用RFバッファ アンプの能力を超えています。
一部のドライバはゲインを提供しますが、他のドライバは固定のユニティ ゲインを備えています。さらに、これらのドライバは、多くの場合、ケーブルやユーザーが操作するインターフェイスに「ボックスの外側」で接続されるため、通常は、接地およびDC電源レールへの短絡 (ユーザー エラーまたは接続障害の結果) に耐えられるように設計されています。これらのドライバの主なパラメータは、ソース/シンク定格、および時間と印加電圧に対する短絡やその他の誤接続の「耐性」定格です。
RFアンプの種類
一部のRFアンプでは、複数の基本機能が1つのデバイスに統合されていることに注意してください。たとえば、ゲインも備えたバッファを見つけることも可能です。場合によっては、これらは魅力的な部品表 (BOM) の選択肢となりますが、他の場合には、回路には、マルチロール デバイスでは避けられない固有のトレードオフがない、焦点を絞った単機能RFアンプによってのみ満たされるパフォーマンス仕様が必要です。
低ノイズRFアンプの良い例としては、 Infineon Technologies AG の BGM781N11が挙げられます。これは、GPSおよびGalileo衛星ナビゲーション製品向けに1575.42 MHzでのパフォーマンスに最適化されています (図2)。このアプリケーションでは、RF信号強度が本質的に非常に低いため、基本的なLNAは非常に低いノイズでゲインを提供する必要があります。BGM781N11の場合、ゲインは18.6 dB、ノイズ指数は1.7 dBです。隣接するセルラー バンドの帯域外除去は80 dBcです。このデバイスは、小型のTSNP-11-2リードレス パッケージに収められており、1.5 V ～ 3.6 V電源からわずか3.3 mAしか必要とせず、帯域外ノイズを最小限に抑える狭帯域フィルターを備え、入力と出力の両方でそれぞれ50 Ω の駆動と負荷に内部的に整合されています。
図2: Infineon BGM781N11低ノイズRFアンプは、GPSまたはGalileo衛星ナビゲーション レシーバーのアンテナからの弱い信号を増幅するように特別に設計されています。低ノイズでゲインを提供するだけでなく、1575.42 MHzキャリアの両側の信号を抑制するパスバンド フィルターも備えています。（出典：インフィニオンテクノロジーズ）
の LTC6431-20 から リニアテクノロジー株式会社は、1GHzを超える周波数まで拡張された高い直線性、低ノイズ、低消費電力を備えた基本バッファです（図3）。 Infineonの部品と同様に、20 MHz ～ 1.5 GHzの入力と出力の両方で50 Ω インターフェイスに内部的に整合されているため、広帯域設計における相互接続の課題が軽減されます。
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最大20 dBのゲインを提供でき、主にRFチェーンのIFステージのバッファとして使用されます。このICのノイズ指数は240 MHzで2.6 dB、総入力ノイズは0.6nV/√Hzです。シングルエンド バッファは、単一の5 V電源からわずか93 mAしか消費しません。
図3: Linear Technology Corp. のLTC6431-20は、+20 dBのゲインを提供しながら1 GHz以上で動作します。インターステージ バッファとして、通常は50 Ω のソースと50 Ω の負荷が使用されるため、それらのインピーダンスに一致するように設計されています。（出典：リニアテクノロジー）
代表的なRFドライバアンプは アバゴテクノロジーMGA-30489は、SOT-89標準プラスチック パッケージに収められた、直線性に優れた0.25 Wデバイスで、250 MHz ～ 3 GHzで動作するように設計されています (図4)。セルラー/PCS/W-CDMA/WLLや次世代ワイヤレス テクノロジーなどのアプリケーションで使用される標準の50 Ω ワイヤレス インフラストラクチャと簡単にインピーダンス整合できるため、帯域全体で最適な電力と直線性を実現できます。5 V電源で動作し、97 mA (標準) を必要とし、ノイズ指数は3 dB、固定ゲインは13.3 dBです。
図4: Avago TechnologiesのMGA-30489 RFドライバ アンプは、250 MHzおよび3 GHzから最大0.25 WのRF電力を供給でき、同軸ケーブルやアンテナの駆動に適しています。(出典: アバゴ・テクノロジーズ)
結論
「RFアンプ」という単純な用語は、実際には、数MHzから数GHzの範囲にわたるRFスペクトル全体にわたる非常に広範なアンプ機能を網羅しています。RFアンプは信号の形状を変更したり、アナログ信号処理を実行したりしませんが、信号チェーンの各段階で重要なさまざまな役割を果たします。これらの中には、LNAまたは信号とコンバーターのスパンを一致させるのに代表される基本的な増幅があります。これは、RF信号のバッファーとして機能し、信号チェーンの各ステージが前後のステージからある程度独立して動作し、低インピーダンスまたは非抵抗負荷を最小限の歪みで高速に駆動するために必要な信号電力を提供します。
RFアンプのパラメーターの中には、これらすべての (およびその他の) アプリケーションに共通するものもありますが、一部のRFアンプ機能では他の機能よりも重要で目立つパラメーターもあります。さらに、2つ以上の基本的なアンプ機能を組み合わせたRFアンプもありますが、必要に応じて究極のパフォーマンスを提供できるため、単機能デバイスも依然として非常に人気があります。