Die Arbeit mit HF-Signalen in physikalischen Schaltungen gestaltet sich häufig schwierig. Es handelt sich grundsätzlich um Hochfrequenzsignale (GHz-Werte oder höher sind heute gängig), meist mit niedrigen Spannungswerten (max. Nennspannung 1 V, häufig jedoch deutlich weniger). Sie kumulieren häufig hinzugefügtes Rauschen aus zahlreichen Quellen, werden leicht überlastet und es fehlt ihnen an Antriebskapazität. Daher muss ein HF-Verstärker verwendet werden, um die Signale bei Bedarf zu verändern und ihre Kapazität zu erhöhen.
Die drei Hauptfunktionen von HF-Verstärkern (Abbildung 1).
Abbildung 1: Dieses einfache Standardsymbol für einen Verstärker zeigt nicht die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, Anwendungen und Funktionen von Verstärkern, selbst wenn sie keine Signale verarbeiten oder die Signalform verändern (Netz- und Erdungsanschlüsse sind nicht dargestellt.
1) Verstärkung: Eine Verstärkung ist erforderlich, wenn die HF-Signalamplitude sehr gering ist und an einer anderen Stelle des Schaltkreises nicht nutzbringend eingesetzt werden kann. Die Amplitude muss also verstärkt werden, damit das Gesamt-SNR (Signal/Rausch-Verhältnis) beim Durchleiten des Signals durch den restlichen Schaltkreis nicht beeinträchtigt wird, oder die Amplitude muss zum Eingangsbereich einer Komponente (z. B. eines A/D-Wandlers) passen. Zahlreiche HF-Signale, z. B. Antennensignale, betragen nur einige Mikrovolt (μV) oder Millivolt (mV). Signalverarbeitende Schaltkreise arbeiten jedoch deutlich effektiver mit Signalen, die (je nach Form) einen typischen Höchstwert von 1 bis 10 V haben. Ein Verstärker konzentriert sich auf eine Aufgabe: Er verstärkt den Signalpegel und fügt so wenig wie möglich Rauschen oder Verzerrung hinzu. Vestärker für Signale mit extrem niedrigen Signalpegeln (z. B. Antennensignale) werden meist als rauscharme Verstärker (Low-Noise Amplifiers, LNA) bezeichnet. Manche HF-Verstärker bieten nur einen festen Verstärkungsgrad, andere bieten über eine externe Jumper-Verbindung oder einen Widerstand mehrere feste Verstärkungsgrade (wie ×10 und ×100, ×2, ×4, ×8, ×16). Bei Verstärkern mit variabler Verstärkung handelt es sich um einen anderen Typ von HF-Verstärkern, bei denen die Verstärkung innerhalb eines großen Bereichs nach Bedarf eingestellt und geändert werden kann. Dazu werden ein externer, digital programmierbarer Widerstand oder eine analoge Steuerspannung (meist 0 bis 1 V) verwendet.
2) Puffer: Ein Puffer ist erforderlich, wenn eine Schaltungsfunktion oder ein Signal bei Laständerungen seine Form und Amplitude behalten muss, oder wenn sich das Signal mit einer Last verbinden muss, die größer ist als die normalerweise zulässige Maximallast für dieses Signal (niedrigere Impedanz/reaktiv). Beispiel: Ein verstärktes ±1 V-Signal eines Antennen-LNA-Ausgangs muss eine Verbindung mit einer anderen Stufe herstellen, die eine gewisse Induktanz aufweist. Der Pufferverstärker gewährleistet, dass das Auftreten dieser Induktanz die Zuverlässigkeit des ±1-V-Signals nicht beeinträchtigt bzw. keine Verzerrung erzeugt. Ein Puffer-HF-Verstärker kann auch verwendet werden, um die Impedanz eines Schaltkreisausgangs, der ein Signal bezieht, konjugiert komplex an die Impedanz des Lastkreiseingangs anzupassen, um die Energieübertragung zu optimieren. Neben dem Frequenzbereich gehört auch der Bereich resistiver und reaktiver Lasten, die der Puffer ohne Signalverzerrung antreiben kann, zu den entscheidenden Pufferspezifikationen.
3) Treiber: Die wichtigste Rolle eines Treiber-HF-Verstärkers ist es, bei der Betriebsfrequenz ausreichend Strom bereitzustellen und zu verbrauchen, um eine niederohmige Last wie ein 50- oder 75-Ω Koaxialkabel zu versorgen. HF-Treiber können auch als HF-Leistungsverstärker angesehen werden, wenn ihre Rolle darin besteht, einen Leistungsschub (Strom und/oder Spannung) für eine Last wie zum Beispiel eine Antenne zu liefern. Die Anstiegsgeschwindigkeit (dI/dt) und Verbrauchs- und Lieferfähigkeit, die sie mit ausreichend Strom bereitstellen müssen, ist ziemlich hoch bei den Frequenzen, mit denen diese HF-Verstärker arbeiten, über die Fähigkeiten eines üblichen HF-Pufferverstärkers hinaus.
Manche Treiber bieten eine Verstärkung, andere eine feste Verstärkung. Außerdem werden diese Treiber oft außerhalb über Kabel und benutzerdefinierten Schnittstellen angeschlossen, sie sind meist so ausgelegt, dass sie Kurzschlüssen widerstehen sich für DC-Leistungsschienen eignen (entweder infolge von Benutzerfehlern oder Verbindungsfehlern). Die wichtigsten Parameter dieser Treiber sind ihre Liefer- und Verbrauchsrate und ihre Widerstandsfähigkeit gegen Kurzschlüsse und andere fehlerhafte Anschlüsse bezogen auf die Zeit und die anliegende Spannung.
Beispiele für die Vielfalt der HF-Verstärker
Manche HF-Verstärker vereinen mehr als nur eine Grundfunktion in einem Gerät. So finden wir beispielsweise Puffer, die auch verstärken. In manchen Fällen sind diese eine attraktive Wahl für die Stückliste (BOM), in anderen Fällen braucht der Schaltkreis Leistungsmerkmale, die nur von spezifischen HF-Verstärkern mit einer einzelnen Funktion geliefert werden, ohne die Kompromisse und Einschränkungen, die bei Multifunktionsgeräten manchmal unvermeidlich sind.
Ein gutes Beispiel für einen rauscharmen HF-Verstärker ist der BGM781N11 von der Infineon Technologies AG, der für Leistungen bei 1575,42 MHz, für GPS- und Galileo-Satellitennavigationsprodukte optimiert ist (Abbildung 2). In dieser Anwendung ist die HF-Signalstärke grundsätzlich extrem niedrig, ein einfacher rauscharmer Verstärker (LNA) muss also wirklich sehr rauscharm verstärken. Beim BGM781N11 beträgt die Verstärkung 18,6 dB und das Rauschen 1,7 dB, die Unterdrückungsleistung bandexterner Interferenzen aus angrenzenden Frequenzbändern liegt bei 80 dBc. Das Gerät steckt in einem kleinen unverdrahteten TSNP-11-2 Gehäuse und erfordert gerade 3,3 mA von einer Quelle mit 1,5 V bis 3,6 V, es hat Schmalbandfilter zur Begrenzung des bandexternen Rauschens und ist intern auf Eingänge und Ausgaben bis 50 Ω abgestimmt, jeweils für Antrieb und Last.
Abbildung 2: Der rauscharme HF-Verstärker Infineon BGM781N11 HF wurde speziell entworfen, um die schwachen Signale aus der Antenne eines Satellitennavigationsempfänger (GPS oder Galileo) zu verstärken. Er leistet nicht nur Verstärkung bei schwachem Rauschen sondern integriert überdies Durchlassfilter, mit denen Signale von beiden Seiten des 1575,42 MHz Trägers unterdrückt werden. (Quelle: Infineon Technologies)
Der LTC6431-20 von Linear Technology Corp. ist ein einfacher hoch linearer Puffer bis zu Frequenzen über 1 GHz hinaus, außerdem rauscharm und mit wenig Energieverlust (Abbildung 3). Wie das Bauteil von Infineon ist es für den Eingang wie für die Ausgabe von 20 MHz bis zu 1,5 GHz intern für 50-Ω Schnittstellen abgestimmt, was die Verbindungsmöglichkeiten in Breitbandmodellen erleichtert.
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Es kann Verstärkungen bis zu 20 dB liefern und dient hauptsächlich als Puffer in den ZF-Stufen der HF Kette. Das Rauschmaß für diesen IC-Schaltkreis beträgt 2,6 dB bei 240 MHz, mit 0,6nV/√Hz Gesamteingangsstörungen. Der Single-Ended Puffer zieht nur 93 mA aus einer einfachen 5-V Stromversorgung.
Abbildung 3: Der LTC6431-20 von Linear Technology Corp. arbeitet bis über 1 GHz und liefert dabei eine Verstärkung von +20 dB. Als Zwischenpuffer benötigt er normalerweise eine 50-Ω Quelle und eine 50-Ω Last und ist auf solche Impedanzen ausgelegt. (Quelle: Linear Technology)
Ein repräsentativer HF-Treiberverstärker ist der Avago Technologies’ MGA-30489, ein besonders lineares 0,25-W Gerät in einem SOT-89 Standardgehäuse aus Plastik, das sich für einen Betrieb zwischen 250 MHz und 3 GHz eignet (Abbildung 4). Er kann bezüglich der Impedanz leicht für drahtlose 50-Ω Standard-Infrastrukturen passend gemacht werden, die es in Anwendungen wie Mobilfunk/PCS/W-CDMA/WLL und Drahtlostechnologien der nächsten Generation gibt, um über die gesamte Bandbreite eine optimale Leistung und Linearität zu erreichen. Er arbeitet mit einer 5V-Stromversorgung, benötigt normalerweise 97 mA, hat einen Rauschwert von 3 dB und eine feste Verstärkung von 13,3 dB.
Abbildung 4: Der Avago Technologies’ MGA-30489 HF Treiberverstärker kann eine HF-Leistung von bis zu 0,25 W von 250 MHz und 3 GHz bereitstellen und eignet sich sehr gut für den Betrieb mit Koaxialkabeln und Antennen. (Quelle: Avago Technologies)
Der einfache Begriff „HF-Verstärker” umfasst ein sehr großen Bereich von Verstärkerfunktionen aus dem HF-Spektrum, von einigen MHz bis in den Multi-GHz-Bereich. Obwohl der HF-Verstärker weder die Form des Signals verändert noch irgendwelche Analogsignale verarbeitet, spielt er mehrere wichtige Rollen auf allen Stufen der Signalkette. Dazu gehören eine grundlegende Verstärkung wie beim rauscharmen Verstärker (LNA) oder Signalanpassung an einen Wandler, der Einsatz als Puffer für HF-Signale, so dass jede Stufe in der Signalkette unabhängig von den vorherigen und den nachfolgenden Stufen arbeitet und die nötige Signalleistung liefert, um Lasten mit niedriger Impedanz zu versorgen, oder Lasten, die keine Wirkwiderstände sind, mit hoher Geschwindigkeit und minimaler Verzerrung.
Einige Parameter der HF-Verstärker sind all diesen (und anderen) Anwendungen gemeinsam, es gibt aber auch Parameter, die bei manchen HF-Verstärkerfunktionen wichtiger und beliebter sind, als bei anderen. Außerdem gibt es HF-Verstärker, die zwei oder noch mehr grundlegende Verstärkerfunktionen erfüllen, noch sind Geräte mit nur einer Funktion ziemlich beliebt, da sie nötigenfalls wirklich optimale Leistung bringen.