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Magíster en Ciencias de la Ingeniería en Electrónica - Facultad de Ingeniería
DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE
BAJO RUIDO PARA RADAR EN LA
BANDA DE 2.4 GHz
José Cerón Córdova
Santiago -2023
Seminario de Investigación
2. Contenidos
• Introducción
• Amplificador de Bajo Ruido
• LNA en radar
• Figuras de mérito
• Técnicas de diseño de LNA
• Algoritmo técnica de ganancia disponible
• Propuesta de investigación
• Transistores seleccionados
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3. AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO
Un amplificador de bajo ruido (LNA – Low Noise
Amplifier), es aquel en el que se busca aumentar la potencia
de la señal recibida a la entrada de un receptor, añadiendo
el menor nivel de ruido posible y así poder recuperar la
información útil contenida en dicha señal en las etapas
posteriores al amplificador.
En un circuito receptor de señales de RF, se requiere tener
un preamplificador con tenga un factor de ruido lo más bajo
posible, debido a que el ruido de la primera etapa es el
dominante sobre el rendimiento ante ruido del sistema en
general. [1]
El LNA es entonces, el primer elemento del circuito
receptor tras la antena, por lo que su rendimiento y correcta
implementación es crucial para una correcta recepción de
señales.
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Figura 1 – Imagen ilustrativa transistor para LNA
4. LNA’s EN RADAR
En el caso de radares, el amplificador de bajo ruido es uno
de los componentes principales del receptor, esto porque
Se tiene que las figuras de mérito más relevantes en este
caso serán la 𝑃1−𝑑𝐵 (potencia de 1 dB de compresión) y el
factor de ruido 𝐹 o su equivalente figura de ruido NF, las
que determinan el rango dinámico del amplificador, donde
a su vez las potencias mínima y máxima se relacionan a las
distancias mínima y máxima de la zona de sondeo del
radar. [2]
Los recientes desarrollos de LNA con figuras de ruido
bajas permiten mejorar la sensibilidad. [3]
La figura de ruido de la primera etapa está determinada
por el nivel de la señal de entrada al receptor y está
dominada principalmente por el ruido del LNA. [3]
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Figura 2 – Circuito receptor de radar
5. FIGURAS DE MÉRITO (FOM’s)
Suele suceder que en los artículos sobre LNA’s se
consideran dos o tres figuras de mérito. Si se suman todas,
es posible obtener más de 30 FOM’s.
Generalmente son reportadas a través de tablas resumen,
ubicadas generalmente en el apartado de discusión de
resultados de los artículos.
Las FOM’s a considerar para el diseño de un LNA están
directamente relacionadas a la aplicación en la cuál será
utilizado el circuito receptor. Como ejemplo para
radioastronomía, la Figura de Ruido (NF) y la Temperatura
de Ruido serán las más relevantes, mientras que para uso en
dispositivos IoT la más relevante podría ser el consumo
energético. [4]
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N° FOM
1 Figura de ruido 𝐹
2 Factor de Ruido 𝑁𝐹
3 Ganancia 𝐺
4 𝐼𝐼𝑃3
5 Consumo Energético 𝑃𝑑𝑐
6 𝑃1−𝑑𝐵
7 Ancho de Banda 𝐵𝑊
8 Ancho de Banda Relativo 𝐵𝑟
9 𝑂𝐼𝑃3
10 𝑂𝑃1𝑑𝐵
Tabla 1 – Ejemplos de FOM’s
6. …FOM’s
Algunos autores proponen sus propias figuras de mérito
para diseñar o evaluar el rendimiento de un LNA. En [4],
los autores proponen que el núcleo o “core” de la mayor
parte de las FOM corresponde a:
𝐹𝑂𝑀0 =
𝐺[𝑙𝑖𝑛]
𝐹−1 𝑃𝑑𝑐[𝑚𝑊]
Donde G es la ganancia en magnitud lineal y F es el factor
de ruido asociado a la temperatura de ruido T[K] a través de
la expresión 𝑇 = 𝐹 − 1 𝑇0, con 𝑇0 = 290 𝐾 y 𝑃𝑑𝑐 es el
consumo energético del transistor.
Debido a la expresión anterior, los autores indican que es
posible obtener otros parámetros relevantes y también
nuevas figuras de mérito.
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La frecuencia de operación se puede obtener como:
𝑓0[𝐺𝐻𝑧] ≈
13.8𝑃𝑑𝑐 𝑚𝑊 0.16
𝑇𝑐𝑎𝑠 𝐾 0.55
𝐿 𝑛𝑚 0.5
− 14,2[𝐺𝐻𝑧]
con 𝑇𝑐𝑎𝑠 temperatura de ruido en cascada, L menor tamaño
del transistor, 13.8 es un factor de escalamiento, 14.2 GHz
es un offset debido a que el ruido en los LNA’s es
principalmente dominado por el transistor en frecuencias
por sobre los 14,2 GHz.[4]
Por otra parte, puede introducirse entonces la siguiente
FOM:
𝐹𝑂𝑀𝑛𝑒𝑤 =
𝐿 𝑛𝑚 𝑓0 𝐺𝐻𝑧 + 14,2 2
𝑇𝑐𝑎𝑠 𝐾 1.1𝑃𝑑𝑐 𝑚𝑊 0.32
7. En base a la 𝐹𝑂𝑀𝑛𝑒𝑤, es posible obtener la siguiente gráfica:
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Figura 3 – Circuito receptor de radar 𝐹𝑂𝑀𝑛𝑒𝑤 v/s frecuencia central de operación
La 𝐹𝑂𝑀𝑛𝑒𝑤 , tiene una dependencia
marginal sobre la frecuencia, solamente
cuando la frecuencia central es mucho
menor que 14.2 GHz.
Dado que el ruido en los circuitos no está
determinado significativamente por el
transistor mismo, la temperatura de ruido
depende en menor medida de la
frecuencia
8. Algunos análisis sobre las figuras de mérito:
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Figura 4 – Figura de ruido vs Frecuencia.
Puede notarse que sobre aproximadamente los 20 GHz
se tiene una dependencia entre la frecuencia y la figura
de ruido.[4]
Figura 5 – Ganancia vs Frecuencia.
Como es posible observar, no se tiene una tendencia
clara entre la frecuencia y la ganancia, pero sí que los
transistores (o tecnologías de menor tamaño) son
dominantes en los diseños de alta frecuencia. [4]
9. Algunos análisis sobre las figuras de mérito:
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Figura 6 – Consumo energético vs frecuencia.
Es posible obtener una tendencia de crecimiento de
aproximadamente 1.7 por década de frecuencia.[4]
Figura 7 – Figura de ruido vs Frecuencia para
diferentes tecnologías. [4]
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Técnicas de diseño de LNA’s
En la literatura se pueden escontrar diferentes técnicas de
diseño. Entre ellas se destacan:
- Current Reuse
- Inductive Degeneration Source
- Cascode
- Balanced topology
- Dual Band and Quad Band LNA [5]
- Forward body bias
- Self biased inverter [6]
- Available Gain [1]
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Algoritmo técnica de ganancia disponible
1.- Estudio de estabilidad del amplificador en el ancho de banda de frecuencias deseado.
2.- Mediante los círculos de estabilidad de carga se puede determinar el valor mínimo de conductancia normalizada a
añadir en paralelo al puerto de salida, por lo que se puede determinar también la resistencia.
3.- Se vuelve a realizar el estudio de estabilidad, pero con el amplificador ya estabilizado.
4.- Análisis de círculos de estabilidad de fuente y de carga del amplificador ya estabilizado.
5.- Ya estabilizado el amplificador se trazan los círculos de igual figura de ruido y de igual ganancia disponible.
6.- Se debe marcar el punto donde los círculos de figura de ruido deseada y ganancia disponible deseada y así se obtiene
una impedancia de fuente normalizada para adaptar 𝑧𝑠
′ y un coeficiente de reflexión de fuente normalizada para adaptar
Γ𝑠
′.
7.- Con los valores anteriores (𝑧𝑠
′ y Γ𝑠
′), se calcula el coeficiente de reflexión de salida Γ𝑜𝑢𝑡.
8.- Con el valor de Γ𝑜𝑢𝑡 se calcula la red de adaptación de salida, transformando Γ𝐿 en Γ𝑜𝑢𝑡
∗
9.- Se incorporan las redes de adaptación de entrada y salida obtenidas y se tendrá el diseño final del amplificador [7]
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Propuesta
En base al estado del arte, se propone realizar el diseño de 5 amplificadores de bajo ruido basados en distintos transistores
de tipo bipolar y pHEMT.
Una vez realizadas las simulaciones, se elegirán las que tengan mejores resultados para cada tipo de transistor,
posteriormente implementando los mismos en un circuito real y realizando las mediciones pertinentes para determinar cuál
de ambos amplificadores diseñados e implementados tendrán un mejor rendimiento en un radar en la banda de 2.4 GHz.
Se espera que esto además permita generar nuevas investigaciones y desarrollos futuros, tanto de otros elementos del
circuito receptor del radar como también de otras potenciales aplicaciones para los LNA’s.
14. REFERENCIAS
[1] David Pozar. Microwave engineering. John Wiley & Sons, Inc., 2012
[2] A. J. Zozaya. Synthetic aperture radars: conceptual design procedure. Revista Ingeniería UC, Vol. 23, No. 2, agosto 2016
[3] Mark A. Richards, James A. Scheer, William A. Holm. Principles of Modern Radar. Vol. I: Basic Principles. SciTech Publishing
[4] Leonid Belostotski, Sameep Jagtap. Down With Noise – An introduction to a Low Noise Amplifier survey. IEEE Solid-State Circuits
Magazine. 23-29. (2020)
[5] M. Bansal, Jyoti, A review of low Noise Amplifier for 2.4 GHz frequency band. 2017 International Conference on Innovations in
Control, Communication and Information Systems (ICICCI)
[6] Anishaziela Azizan, S.A.Z Murad, M.N.M Yasin. A Review of LNA Topologies for Wireless Applications. 2014 2nd International
Conference on Electronic Design (ICED).
[7] Jonatan Verdugo Capio, Diseño y Simulación de un Amplificador de Bajo Ruido a la Frecuencia de 2.4 GHz para aplicaciones de
radar. Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería, Quito, Ecuador.
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