저잡음 증폭기
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1. 개요
저잡음 증폭기(LNA)는 통신 시스템 및 계측 장비에서 사용되는 중요한 구성 요소로, 약한 신호를 증폭하면서 잡음과 왜곡을 최소화하는 역할을 한다. LNA는 안테나와 수신기 사이의 급전선 손실을 보상하고, 수신기의 잡음 지수를 낮춰 신호 수신 성능을 향상시킨다. LNA의 주요 사양으로는 이득, 잡음 지수, 선형성, 최대 RF 입력 등이 있으며, 낮은 잡음 지수를 위해 JFET 또는 HEMT와 같은 트랜지스터가 사용된다. LNA는 전파망원경, 휴대전화, GPS 수신기, WiFi, 위성 통신 등 다양한 분야에 활용된다.
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| 저잡음 증폭기 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 전자 증폭기 |
| 기능 | 신호 대 잡음비를 크게 저하시키지 않고 약한 신호를 증폭 |
| 중요 요소 | 낮은 잡음 지수 |
| 사용 분야 | 무선 통신 및 초고주파 응용 분야 |
| 주요 특징 | |
| 잡음 지수 | 낮은 잡음 지수 |
| 이득 | 적절한 신호 이득 |
| 대역폭 | 충분한 대역폭 |
| 입력/출력 임피던스 | 적절한 입력 및 출력 임피던스 매칭 |
| 안정성 | 안정적인 작동 |
| 선형성 | 선형적 작동 |
| 설계 및 구현 | |
| 트랜지스터 유형 | 바이폴라 접합 트랜지스터 (BJT) 또는 전계 효과 트랜지스터 (FET) |
| 회로 구성 | 다양한 회로 구성 (예: 공통 이미터, 공통 베이스, 공통 컬렉터, 공통 소스, 공통 게이트, 공통 드레인) |
| 임피던스 매칭 | 입력 및 출력 임피던스 매칭 네트워크 사용 |
| 바이어싱 | 적절한 바이어싱 기술 사용 |
| 저잡음 기술 | 저잡음 설계 기술 적용 |
| 사용 예시 | |
| 라디오 수신기 | 안테나에서 오는 약한 신호를 증폭 |
| 레이더 | 반사된 신호를 증폭 |
| 위성 통신 | 위성에서 수신한 약한 신호를 증폭 |
| 의료 영상 | 의료 영상 장비에서 신호를 증폭 |
| 무선 통신 | 무선 통신 시스템에서 신호를 증폭 |
| 전파 천문학 | 전파 망원경에서 신호를 증폭 |
| 기타 | |
| 잡음 특성 | 증폭기의 잡음은 총 출력 잡음을 증가시킬 수 있음 |
| 성능 평가 | 잡음 지수, 이득, 대역폭, 안정성, 선형성 등으로 평가 |
| 종류 | 광대역 저잡음 증폭기, 협대역 저잡음 증폭기 |
| 관련 개념 | 잡음, 신호 대 잡음비, 증폭기 |
2. 통신에서의 역할
저잡음 증폭기(LNA)는 라디오 수신기 회로의 프런트 엔드에서 원치 않는 잡음을 줄이는 데 중요한 역할을 한다. 프리스의 잡음 공식에 따르면, 대부분의 수신기에서 전체 잡음 지수(NF)는 RF 프런트 엔드의 처음 몇 단계에 의해 결정된다.[1]
신호원 근처에 LNA를 사용하면, 회로 수신 체인의 후속 단계에서 발생하는 잡음의 영향은 LNA에 의해 생성된 신호 증폭에 의해 감소한다. 반면 LNA 자체에서 생성된 잡음은 수신 신호에 직접 주입된다. LNA는 원하는 신호의 전력을 증폭하면서도 잡음과 왜곡을 최소한으로 추가하여, 시스템의 후속 단계에서 원하는 신호를 최적으로 검색할 수 있도록 돕는다.
2. 1. 안테나와 급전선
안테나는 약한 신호의 일반적인 원인이다.[1] 옥외 안테나는 종종 ''급전선''이라고 불리는 전송선을 통해 수신기와 연결된다. 급전선의 손실은 수신된 신호대 잡음비를 낮춘다. 급전선 손실이 3dB이면 수신기의 신호대 잡음비(SNR)가 3dB만큼 저하된다.예를 들어, 약 3.05m 길이의 RG-174 동축 케이블로 만들어진 급전선을 GPS 수신기와 함께 사용하는 경우를 생각해 보자. 이 급전선의 손실은 1GHz에서 3.2dB이며, GPS 주파수(1.57542GHz)에서는 약 5dB이다. 안테나에 저잡음 증폭기(LNA)를 배치하면 손실을 상쇄할 만큼 충분한 이득을 제공하여 이러한 급전선 손실을 피할 수 있다.
2. 2. 프리스 잡음 공식
안테나는 약한 신호의 일반적인 원인이다.[1] 옥외 안테나는 종종 ''급전선''이라고 불리는 전송선을 통해 수신기와 연결된다. 급전선의 손실은 수신된 신호대 잡음비를 낮춘다. 급전선 손실이 3dB이면 수신기의 신호대 잡음비(SNR)가 3dB만큼 저하된다.저잡음 증폭기(LNA)는 특히 원치 않는 잡음을 줄이기 위해 라디오 수신기 회로의 프런트 엔드에서 중요한 구성 요소이다. 프리스의 잡음 공식은 다단계 신호 수집 회로의 잡음을 모델링한다. 대부분의 수신기에서 전체 잡음 지수(NF)는 RF 프런트 엔드의 처음 몇 단계에 의해 결정된다.
신호원 근처에 저잡음 증폭기(LNA)를 사용하면 회로의 수신 체인의 후속 단계에서 발생하는 잡음의 영향이 저잡음 증폭기(LNA)에 의해 생성된 신호 증폭에 의해 감소하는 반면, 저잡음 증폭기(LNA) 자체에서 생성된 잡음은 수신 신호에 직접 주입된다. 저잡음 증폭기(LNA)는 원하는 신호의 전력을 증폭하는 동시에 잡음과 왜곡을 최소한으로 추가한다. 저잡음 증폭기(LNA)의 작동은 시스템의 후속 단계에서 원하는 신호를 최적으로 검색할 수 있도록 한다.
3. 설계 고려 사항
안테나는 약한 신호의 일반적인 원인이다.[1] 옥외 안테나는 종종 ''급전선''이라고 불리는 전송선을 통해 수신기와 연결된다. 급전선의 손실은 수신된 신호대 잡음비를 낮춘다. 예를 들어 3dB의 급전선 손실은 수신기의 신호대 잡음비(SNR)를 3dB만큼 저하시킨다.
약 3.05m 길이의 RG-174 동축 케이블로 만들어진 급전선을 GPS 수신기와 함께 사용하는 경우, 에서 이 급전선의 손실은 3.2dB이며, GPS 주파수()에서는 약 5dB이다. 안테나에 저잡음 증폭기(LNA)를 배치하면 손실을 상쇄할 만큼 충분한 이득을 제공하여 이러한 급전선 손실을 피할 수 있다.
저잡음 증폭기(LNA)는 특히 원치 않는 잡음을 줄이기 위해 라디오 수신기 회로의 프런트 엔드에서 중요한 구성 요소이다. 프리스의 잡음 공식은 다단계 신호 수집 회로의 잡음을 모델링한다. 대부분의 수신기에서 전체 잡음 지수(NF)는 RF 프런트 엔드의 처음 몇 단계에 의해 결정된다.
신호원 근처에 LNA를 사용하면 회로의 수신 체인의 후속 단계에서 발생하는 잡음의 영향이 LNA에 의해 생성된 신호 증폭에 의해 감소하는 반면, LNA 자체에서 생성된 잡음은 수신 신호에 직접 주입된다. LNA는 원하는 신호의 전력을 증폭하는 동시에 잡음과 왜곡을 최소한으로 추가한다. LNA의 작동은 시스템의 후속 단계에서 원하는 신호를 최적으로 검색할 수 있도록 한다.
3. 1. 주요 사양
저잡음 증폭기(LNA)의 가장 중요한 사양 또는 속성은 다음과 같다.[2]- 이득(Gain)
- 잡음 지수(Noise figure)
- 선형성(Linearity)
- 최대 RF 입력(Maximum RF input)
우수한 LNA는 낮은 잡음 지수(NF, 예: 1dB)를 가지며, 신호를 충분히 증폭할 수 있는 이득(예: 10dB)과 충분히 큰 상호 변조 및 압축점(IP3 및 P1dB)을 가져야 한다. 추가적인 사양으로는 LNA의 동작 대역폭, 이득 평탄도, 안정성, 입력 및 출력 입력정재파비(VSWR)가 있다.
저잡음을 위해서는 첫 번째 단계의 증폭기에 높은 증폭이 필요하다. 따라서 접합형 전계 효과 트랜지스터(JFETs)와 고전자이동도 트랜지스터(HEMTs)가 자주 사용된다. 이들은 고전류 영역에서 구동되는데, 이는 에너지 효율이 높지 않지만 샷 잡음의 상대적인 양을 줄인다. 또한 이득을 향상시키기 위해 협대역 회로의 경우 입력 및 출력 임피던스 정합 회로가 필요하다 (''이득-대역폭 곱 참조'').
3. 2. 추가 사양
우수한 LNA는 낮은 잡음 지수(NF)와 신호를 충분히 증폭할 수 있는 이득, 그리고 충분히 큰 상호 변조 및 압축점(IP3 및 P1dB)을 가져야 한다.[2] 추가적인 사양으로는 LNA의 동작 대역폭, 이득 평탄도, 안정성, 입력 및 출력 입력정재파비(VSWR)가 있다.[2]저잡음을 위해서는 첫 번째 단계의 증폭기에 높은 증폭이 필요하다.[2] 따라서 (JFETs)와 고전자이동도 트랜지스터(HEMTs)가 자주 사용된다.[2] 이들은 고전류 영역에서 구동되는데, 이는 에너지 효율이 높지 않지만 샷 잡음의 상대적인 양을 줄인다.[2] 또한 이득을 향상시키기 위해 협대역 회로의 경우 입력 및 출력 임피던스 정합 회로가 필요하다 (''이득-대역폭 곱 참조'').[2]
3. 3. 소자 선택
저잡음을 위해서는 첫 번째 단계의 증폭기에 높은 증폭이 필요하다. 따라서 (JFETs)와 고전자이동도 트랜지스터(HEMTs)가 자주 사용된다.[2] 이들은 고전류 영역에서 구동되는데, 이는 에너지 효율이 높지 않지만 샷 잡음의 상대적인 양을 줄인다.[2] 또한 이득을 향상시키기 위해 협대역 회로의 경우 입력 및 출력 임피던스 정합 회로가 필요하다(''이득-대역폭 곱 참조'').[2]3. 4. 이득 (Gain)
증폭기는 이득을 제공하는 소자를 필요로 한다. 1940년대에는 그 소자가 진공관이었지만, 현재는 일반적으로 트랜지스터이다. 트랜지스터는 다양한 종류의 바이폴라 트랜지스터 또는 전계 효과 트랜지스터일 수 있다. 터널 다이오드와 같이 이득을 생성하는 다른 소자들도 사용될 수 있다.[2]저잡음을 위해서는 첫 번째 단계의 증폭기에 높은 증폭이 필요하다. 따라서 (JFETs)와 고전자이동도 트랜지스터(HEMTs)가 자주 사용된다. 이들은 고전류 영역에서 구동되는데, 이는 에너지 효율이 높지 않지만 샷 잡음의 상대적인 양을 줄인다. 또한 이득을 향상시키기 위해 협대역 회로의 경우 입력 및 출력 임피던스 정합 회로가 필요하다 (''이득-대역폭 곱 참조'').[2]
적용되는 이득의 양은 종종 절충안이다. 한편으로는 높은 이득이 약한 신호를 강하게 만든다. 다른 한편으로는 높은 이득은 더 높은 수준의 신호를 의미하며, 높은 이득을 가진 그러한 고수준 신호는 증폭기의 동적 범위를 초과하거나 고조파 왜곡이나 비선형 혼합과 같은 다른 유형의 잡음을 유발할 수 있다.[2]
3. 5. 잡음 지수 (Noise figure)
잡음 지수는 특정 저잡음 증폭기(LNA)의 효율을 결정하는 데 도움을 준다. 일반적으로 잡음 지수가 낮을수록 신호 수신이 더 우수하다.[2] 특정 용도에 적합한 LNA는 일반적으로 잡음 지수를 기준으로 한다.3. 6. 임피던스 (Impedance)
회로의 토폴로지는 입력 및 출력 임피던스에 영향을 미친다. 일반적으로 소스 임피던스는 소스에서 장치로의 전력 전달을 극대화하기 위해 입력 임피던스와 정합된다. 소스 임피던스가 낮으면 공통 베이스 또는 공통 게이트 회로 토폴로지가 적절할 수 있다. 중간 소스 임피던스의 경우 공통 이미터 또는 공통 소스 토폴로지를 사용할 수 있다. 높은 소스 저항의 경우 공통 컬렉터 또는 공통 드레인 토폴로지가 적절할 수 있다. 입력 임피던스 정합이 항상 가장 낮은 잡음 지수를 생성하는 것은 아니다.[2]3. 7. 바이어싱 (Biasing)
저잡음 증폭기(LNA) 설계에서 또 다른 중요한 문제는 바이어싱 회로에서 발생하는 잡음이다. 통신 회로에서 바이어싱 회로는 능동 소자의 안정적인 동작점을 확보하는 데 중요한 역할을 하지만, 잡음도 발생시킨다.[3] 이러한 회로에서 발생하는 주요 잡음 유형은 열잡음과 플리커 잡음이다. 열잡음은 회로의 저항성 요소에서 발생하는데, 임의의 전하 운반체의 운동으로 인해 모든 저항성 소자가 잡음을 생성하기 때문에 불가피하다. 이러한 유형의 잡음은 고주파수에서 특히 문제가 된다. 플리커 잡음은 1/f 잡음으로도 알려져 있으며, 트랜지스터와 같은 소자를 통한 전류 흐름과 관련이 있으며 저주파수에서 더 중요해진다.[3]저잡음 증폭기(LNA)에서 바이어싱 회로는 전체 성능에 대한 잡음의 영향을 최소화하도록 신중하게 설계되어야 한다. 부적절한 바이어싱은 잡음 지수를 증가시켜 신호 대 잡음비를 저하시키고 통신 시스템 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서 바이어스 회로 내의 구성 요소 설계 및 선택은 특히 약한 신호를 증폭하는 시스템에서 저잡음 동작을 보장하는 데 매우 중요하다.[4]
또한, 매칭 회로와 저잡음 트랜지스터 사용 및 임피던스 정합 최적화와 같은 신중한 바이어싱 기법은 바이어스 회로에서 발생하는 잡음 효과를 완화하는 데 도움이 된다.
4. 응용 분야
저잡음 증폭기(LNA)는 전파망원경, 휴대전화, GPS 수신기, 무선 근거리 통신망(WiFi), 위성 통신 등 다양한 통신 시스템과 소프트웨어 정의 무선(SDR) 수신기 시스템에 사용되어 미약한 신호를 증폭하는 데 중요한 역할을 한다.
4. 1. 통신 시스템
안테나는 약한 신호의 일반적인 원인이다.[1] 옥외 안테나는 종종 ''급전선''이라고 불리는 전송선을 통해 수신기와 연결된다. 급전선의 손실은 수신된 신호대 잡음비를 낮춘다. 급전선 손실이 3dB이면 수신기의 신호대 잡음비(SNR)가 3dB만큼 저하된다.예를 들어, 약 3.05m 길이의 RG-174 동축 케이블로 만들어진 급전선을 GPS 수신기와 함께 사용하는 경우를 생각해 보자. 이 급전선의 손실은 1GHz에서 3.2dB이며, GPS 주파수(1.57542GHz)에서는 약 5dB이다. 안테나에 저잡음 증폭기(LNA)를 배치하면 손실을 상쇄할 만큼 충분한 이득을 제공하여 이러한 급전선 손실을 피할 수 있다.
저잡음 증폭기(LNA)는 특히 원치 않는 잡음을 줄이기 위해 라디오 수신기 회로의 프런트 엔드에서 중요한 구성 요소이다. 프리스의 잡음 공식은 다단계 신호 수집 회로의 잡음을 모델링한다. 대부분의 수신기에서 전체 잡음 지수(NF)는 RF 프런트 엔드의 처음 몇 단계에 의해 결정된다.
신호원 근처에 저잡음 증폭기(LNA)를 사용하면 회로의 수신 체인의 후속 단계에서 발생하는 잡음의 영향이 저잡음 증폭기(LNA)에 의해 생성된 신호 증폭에 의해 감소하는 반면, 저잡음 증폭기(LNA) 자체에서 생성된 잡음은 수신 신호에 직접 주입된다. 저잡음 증폭기(LNA)는 원하는 신호의 전력을 증폭하는 동시에 잡음과 왜곡을 최소한으로 추가한다. 저잡음 증폭기(LNA)의 작동은 시스템의 후속 단계에서 원하는 신호를 최적으로 검색할 수 있도록 한다.
저잡음 증폭기(LNA)는 전파망원경과 휴대전화, GPS 수신기, 무선 근거리 통신망(WiFi), 위성 통신 등의 통신 수신기에 사용된다.
위성 통신 시스템에서 지상국 수신 안테나는 수신 신호가 약하기 때문에 저잡음 증폭기를 사용한다. 위성은 전력이 제한되어 저전력 송신기를 사용하기 때문이다. 또한 위성은 거리가 멀고 경로 손실을 겪는다. 저궤도 위성은 약 193km 떨어져 있을 수 있으며, 정지궤도 위성은 약 35786km 떨어져 있다.
저잡음 증폭기는 안테나와 수신기 사이의 급전선 손실을 극복하기 위해 안테나 신호를 증폭한다.
저잡음 증폭기는 소프트웨어 정의 무선(SDR) 수신기 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. SDR은 일반적으로 범용으로 설계되므로 잡음 지수가 특정 응용 프로그램에 최적화되어 있지 않다. 저잡음 증폭기와 적절한 필터를 사용하면 광범위한 주파수에서 성능이 향상된다.
4. 2. 기타 응용
저잡음 증폭기(LNA)는 전파망원경, 휴대전화, GPS 수신기, 무선 근거리 통신망(WiFi), 위성 통신 등의 통신 수신기에 사용된다.위성 통신 시스템에서는 지상국 수신 안테나의 수신 신호가 약하기 때문에 저잡음 증폭기를 사용한다. 이는 위성의 전력이 제한되어 저전력 송신기를 사용하고, 거리가 멀어 경로 손실을 겪기 때문이다. 저궤도 위성은 약 193km, 정지궤도 위성은 약 35786km 떨어져 있다.
저잡음 증폭기는 안테나와 수신기 사이의 급전선 손실을 극복하기 위해 안테나 신호를 증폭한다.
또한, 소프트웨어 정의 무선(SDR) 수신기 시스템의 성능 향상에도 사용될 수 있다. SDR은 일반적으로 범용으로 설계되어 잡음 지수가 특정 응용 프로그램에 최적화되어 있지 않으므로, 저잡음 증폭기와 적절한 필터를 사용하면 광범위한 주파수에서 성능을 향상시킬 수 있다.
5. 한국의 저잡음 증폭기 기술
(이전 출력이 비어있으므로, 수정할 내용이 없습니다. 원본 소스와 요약 정보가 제공되면 지침에 따라 위키텍스트를 작성하고, 그 결과를 다시 검토하여 수정하겠습니다.)
참조
[1]
서적
A 900MHz Low Noise Amplifier with Temperature Compensated Biasing
https://books.google[...]
2008-01-01
[2]
웹사이트
An Introduction to Low Noise Amplifier Specifications
https://www.onesdr.c[...]
2020-01-11
[3]
논문
Design of a Low Noise Amplifier
https://arxiv.org/ab[...]
2024-09-16
[4]
학술지
Analysis and Design of a Wideband Low-Noise Amplifier with Bias and Parasitic Parameters Derived Wide Bandpass Matching Networks
2022-02-18
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