Low Noise Amplifier oder Rauscharme Breitband-Verstärker (PreAmplifier) sind im Labor immer dann gefragt, wenn kleine Signale zu Messzwecken verstärkt werden müssen.
Die Kenngrößen, die über die Güte eines LNA entscheiden, und was sie im Empfangszweig bedeuten. Ein Empfänger kann nur so empfindlich sein, wie es sein Eigenrauschen zulässt. Jede Stufe fügt Rauschen hinzu, aber nicht jede wiegt gleich schwer: Der Beitrag einer Stufe erscheint am Eingang geteilt durch die gesamte Verstärkung, die vor ihr liegt. Das ist der Inhalt der Friisschen Formel, in der alle Größen als Leistungsverhältnisse stehen, nicht in Dezibel.
Daraus folgt die wichtigste Regel des Empfangszweigs: Die Rauschzahl der ersten Stufe geht ungeteilt ein, und jede Dämpfung davor schlägt eins zu eins durch. Ein Kabel mit 1,5 dB Verlust vor dem Verstärker kostet 1,5 dB Rauschzahl, unabhängig davon, wie gut der Verstärker ist. Es bedeutet zum Glück aber auch, dass man einen Vorverstärker nutzen kann um eine Signal zur Messung zu verstärken, ohne dass die Rauschzahl des Vorverstärkers die Messung wesentlich beeinflusst.
Der Empfänger mit 12 dB Rauschzahl bestimmt das Ergebnis kaum noch, sobald 20 dB Verstärkung davor liegen. Entscheidend sind das erste Kabel und der Verstärker selbst.
Untere Grenze
Jeder Widerstand bei Raumtemperatur liefert eine Rauschleistungsdichte von −174 dBm je Hertz. Mit Rauschzahl und Bandbreite ergibt sich daraus die kleinste noch nutzbare Signalleistung: −174 dBm/Hz plus Rauschzahl plus zehnmal der Logarithmus der Bandbreite. Ein Verstärker mit 1 dB Rauschzahl vor einem Empfänger mit 3 kHz Bandbreite erreicht damit etwa −138 dBm.
Gemessen wird die Rauschzahl mit einer kalibrierten Rauschquelle nach dem Y-Faktor-Verfahren:
Man vergleicht die Ausgangsrauschleistung im eingeschalteten und im ausgeschalteten Zustand der Quelle. Je kleiner der Unterschied, desto stärker rauscht der Verstärker selbst. Bei kleinen Rauschzahlen entscheidet die Sorgfalt: Die Quelle gehört unmittelbar an den Prüfling geschraubt, denn jedes Kabel davor geht mit seiner Dämpfung voll in das Ergebnis ein.
Obere Grenze
Mit wachsender Aussteuerung flacht die Kennlinie ab. Der 1-dB-Kompressionspunkt bezeichnet den Pegel, bei dem die Verstärkung um ein Dezibel unter ihren Kleinsignalwert gefallen ist. Er ist keine Betriebsgrenze, sondern ein Vergleichsmaß – im Betrieb arbeitet ein LNA typisch 15 bis 20 dB darunter.
Aussagekräftiger ist der Interceptpunkt dritter Ordnung. Zwei dicht benachbarte Töne erzeugen im Verstärker Mischprodukte, die unmittelbar neben den Nutzsignalen liegen und sich durch kein Filter entfernen lassen. Steigt der Eingangspegel um ein Dezibel, so wächst dieses Produkt um drei – die beiden Geraden schneiden sich in einem gedachten Punkt, der als kompaktes Maß für die Großsignalfestigkeit dient.
Bei dieser Messung misst man leicht sich selbst. Die Störprodukte entstehen ebenso gern in den beiden Signalquellen oder im Analysator wie im Prüfling. Vor der eigentlichen Messung ist deshalb der Aufbau ohne Prüfling zu prüfen; sein Eigenabstand muss mindestens 10 dB besser sein als der erwartete Wert.
Der Zielkonflikt
Beide Grenzen zusammen spannen den nutzbaren Bereich auf. Ein auf minimale Rauschzahl gezogener Verstärker arbeitet mit kleinem Ruhestrom und wird früh nichtlinear; ein großsignalfester zieht mehr Strom und rauscht stärker. Und anders als beim Rauschen wiegen bei der Intermodulation die späteren Stufen schwerer als die frühen.
Eine durchgerechnete Kette macht das greifbar. Ein Vorverstärker mit 20 dB Verstärkung und 1,2 dB Rauschzahl vor einem Kabel und einem Empfänger verbessert die Systemrauschzahl von 18 auf 2,9 dB – und verschlechtert zugleich den Eingangsinterceptpunkt von +6 auf −14 dBm. Der störungsfreie Dynamikbereich bleibt dabei mit gut 3 dB Verlust nahezu gleich.
Schlussfolgerung: Ein Vorverstärker verschiebt das nutzbare Fenster nach unten, er vergrößert es nicht. Ob das ein Gewinn ist, entscheidet allein die Frage, ob die zu empfangenden Signale schwach sind und ob starke Störer im Band zu erwarten sind. In ruhiger Umgebung gewinnt der Verstärker mit der kleinsten Rauschzahl, in der Nähe starker Sender derjenige mit dem höheren Interceptpunkt – auch wenn sein Datenblatt auf den ersten Blick schlechter aussieht.
Weitere Messungen
Messung von LNS / Vorverstärkern
