Аттенюатор (электроника)

Аттенюатор
	ВЧ-аттенюатор мощностью 30 дБ, 5 Вт, постоянный ток – 18 ГГц, с коаксиальными разъемами N-типа.
Тип	пассивный
Электронный символ

Аттенюатор , — это пассивное широкополосное устройство которое уменьшает мощность сигнала формы без существенного искажения его электронное .

Аттенюатор по сути является противоположностью усилителя , хотя они работают разными методами. В то время как усилитель обеспечивает усиление , аттенюатор обеспечивает потери или коэффициент усиления меньше единицы. В аудиоэлектронике аттенюатор часто называют «площадкой». ^{[ а ]}

Строительство и использование

Аттенюаторы обычно представляют собой пассивные устройства, состоящие из простых цепей делителя напряжения . Переключение между различными сопротивлениями образует регулируемые ступенчатые аттенюаторы и плавно регулируемые с помощью потенциометров . Для более высоких частот КСВ с низким сопротивлением используются точно согласованные сети .

Фиксированные аттенюаторы в цепях используются для снижения напряжения, рассеивания мощности и улучшения согласования импедансов . При измерении сигналов аттенюаторы или адаптеры используются для снижения амплитуды сигнала на известную величину, чтобы обеспечить возможность проведения измерений или защитить измерительное устройство от уровней сигнала, которые могут его повредить. Аттенюаторы также используются для «согласования» импеданса путем снижения кажущегося КСВ (коэффициента стоячей волны).

Схемы аттенюатора

Базовыми схемами, используемыми в аттенюаторах, являются пи-пэды (π-типа) и Т-пэды . Могут потребоваться, чтобы они были симметричными или несимметричными сетями в зависимости от того, является ли геометрия линии, с которой они будут использоваться, сбалансированной или несбалансированной. Например, аттенюаторы, используемые с коаксиальными линиями, должны быть несимметричными, тогда как аттенюаторы для использования с витой парой должны быть симметричными.

На рисунках слева показаны четыре принципиальные схемы аттенюатора. Поскольку схема аттенюатора состоит исключительно из пассивных резисторных элементов, она является одновременно линейной и взаимной . Если схему сделать еще и симметричной (обычно это так, поскольку обычно требуется, чтобы входное и выходное сопротивления Z ₁ и Z ₂ были равны), то входной и выходной порты не различаются, а по соглашению левый и правый Стороны схемы называются входными и выходными соответственно.

Доступны различные таблицы и калькуляторы, которые позволяют определить соответствующие значения резисторов для достижения конкретных значений потерь, например, опубликованные NAB в 1960 году для потерь в диапазоне от 1/2 до 40 дБ для использования в цепях с сопротивлением 600 Ом. ^{[ 1 ]}

Характеристики аттенюатора

Основные характеристики аттенюаторов: ^{[ 2 ]}

Затухание выражается в децибелах относительной мощности. Пэд на 3 дБ снижает мощность вдвое, 6 дБ — на одну четвертую, 10 дБ — на одну десятую, 20 дБ — на сотую, 30 дБ — на одну тысячную и так далее. Когда входное и выходное сопротивление одинаковы, затухание напряжения будет равно квадратному корню из затухания мощности, поэтому, например, аттенюатор на 6 дБ, который снижает мощность на одну четверть, уменьшит напряжение (и ток) вдвое.
Номинальное сопротивление , например 50 Ом.
Полоса частот , например DC-18 ГГц
Рассеяние мощности зависит от массы и площади поверхности резистивного материала, а также от возможных дополнительных охлаждающих ребер.
КСВ — это коэффициент стоячей волны для входных и выходных портов.
Точность
Повторяемость

РЧ аттенюаторы

Радиочастотные аттенюаторы обычно имеют коаксиальную структуру с прецизионными разъемами в виде портов и коаксиальной, микрополосковой или тонкопленочной внутренней структурой. Выше СВЧ требуется специальная волноводная конструкция.

Важными характеристиками являются:

точность,
низкий КСВ,
плоская частотная характеристика и
повторяемость.

Размер и форма аттенюатора зависят от его способности рассеивать мощность. ВЧ-аттенюаторы используются в качестве нагрузки и для известного ослабления и защитного рассеяния мощности при измерении ВЧ-сигналов. ^{[ 3 ]}

Аудиоаттенюаторы

Аттенюатор линейного уровня в предусилителе или аттенюатор мощности после усилителя мощности использует электрическое сопротивление для уменьшения амплитуды сигнала, достигающего динамика, уменьшая громкость выходного сигнала. на 1/2 Вт Аттенюатор линейного уровня имеет более низкую мощность, например, потенциометр или делитель напряжения , и контролирует уровень сигналов предусилителя, тогда как аттенюатор мощности имеет более высокую мощность, например 10 Вт или более, и используется между усилитель мощности и динамик.

Значения компонентов для резистивных площадок и аттенюаторов

В этом разделе рассматриваются пи-панели, Т-образные площадки и L-панели, полностью изготовленные из резисторов и на каждом порту нагруженные чисто реальным сопротивлением.

Все импедансы, токи, напряжения и двухпортовые параметры будут считаться чисто реальными. Для практических приложений это предположение часто достаточно близко.
Контактная площадка рассчитана на определенное сопротивление нагрузки Z _Load и определенное сопротивление источника Z _s .
- Импеданс, видимый при взгляде на входной порт, будет равен Z _S, если выходной порт завершается Z _Load .
- Импеданс, видимый при взгляде на выходной порт, будет равен Z _Load, входной порт оканчивается Z _S. если

Справочные данные для расчета компонентов аттенюатора

Аттенюатор двухпортовый, как правило, двунаправленный. Однако в этом разделе он будет рассматриваться как односторонний. В общем, применима любая из двух цифр, но большую часть времени молчаливо предполагается первая цифра (которая изображает источник слева). В случае L-pad вторая цифра будет использоваться, если сопротивление нагрузки больше, чем сопротивление источника.

Каждому резистору в каждом обсуждаемом типе площадки присвоено уникальное обозначение, чтобы избежать путаницы.

При расчете значения компонента L-pad предполагается, что расчетное сопротивление порта 1 (слева) равно или превышает расчетное сопротивление порта 2.

Используемые термины

Pad будет включать в себя pi-pad, T-pad, L-pad, аттенюатор и двухпортовый.
Двухпортовый включает в себя Pi-pad, T-pad, L-pad, аттенюатор и двухпортовый.
Входной порт будет означать входной порт двухпортового устройства.
Выходной порт будет означать выходной порт двухпортового устройства.
Симметричный означает случай, когда источник и нагрузка имеют равный импеданс.
Потери означают отношение мощности, поступающей на входной порт площадки, к мощности, поглощаемой нагрузкой.
Вносимые потери означают отношение мощности, которая была бы передана в нагрузку, если бы нагрузка была напрямую подключена к источнику, деленное на мощность, поглощаемую нагрузкой при подключении через контактную площадку.

Используемые символы

Пассивные, резистивные площадки и аттенюаторы являются двунаправленными и имеют два порта, но в этом разделе они будут рассматриваться как однонаправленные.

Z _S = выходное сопротивление источника.
Z _Load = входное сопротивление нагрузки.
Z _in = импеданс, видимый при взгляде на входной порт, когда Z _Load подключен к выходному порту. Z _in является функцией импеданса нагрузки.
Z _out = импеданс, видимый при взгляде на выходной порт, когда Z _s подключен к входному порту. Z _out является функцией импеданса источника.
V _s = напряжение разомкнутой цепи источника или ненагруженное напряжение.
V _in = напряжение, подаваемое источником на входной порт.
V _out = напряжение, подаваемое на нагрузку через выходной порт.
I _in = ток, поступающий во входной порт от источника.
I _out = ток, поступающий в нагрузку из выходного порта.
P _вх = V _вх I _вх = мощность, поступающая во входной порт от источника.
P _out = V _out I _out = мощность, поглощаемая нагрузкой из выходного порта.
P _Direct = мощность, которая была бы поглощена нагрузкой, если бы нагрузка была подключена непосредственно к источнику.
L _Pad = 10 log ₁₀ (P _in /P _out ), всегда. Далее, если Z _s = Z _Load , то Lpad ₌ 20 log ₁₀ (V _in /V _out ). Обратите внимание, что, как определено, потери ≥ 0 дБ.
L _{вставка} = 10 log ₁₀ (P _прямой /P _выход ). Далее, если Z _s = Z _Load , то L _{вставка} = L _Pad .
Потеря ≡ L _{колодка} . Потери определяются как _Lpad .

Расчет симметричного резистора Т-образной площадки

$A=10^{-\mathrm {Loss} /20}\qquad R_{a}=R_{b}=Z_{S}{\frac {1-A}{1+A}}\qquad R_{c}={\frac {Z_{s}^{2}-R_{b}^{2}}{2R_{b}}}$ см. Валкенбург, стр. 11-3. ^{[ 4 ]}

Расчет симметричного пи-падового резистора

$A=10^{-\mathrm {Loss} /20}\qquad R_{x}=R_{y}=Z_{S}{\frac {1+A}{1-A}}\qquad R_{z}={\frac {2R_{x}}{\left({\frac {R_{x}}{Z_{S}}}\right)^{2}-1}}$ см. Валкенбург, стр. 11-3. ^{[ 4 ]}

L-Pad для расчета резистора согласования импеданса

Если и источник, и нагрузка являются резистивными (т.е. Z ₁ и Z ₂ имеют нулевую или очень маленькую мнимую часть), то для согласования их друг с другом можно использовать резистивную L-образную площадку. Как показано, любая сторона L-образной площадки может быть источником или нагрузкой, но сторона Z ₁ должна быть стороной с более высоким импедансом. $R_{q}={\frac {Z_{m}}{\sqrt {\rho -1}}}\qquad R_{p}=Z_{m}{\sqrt {\rho -1}}$ ${\text{Loss}}=20\log _{10}\left({\sqrt {\rho -1}}+{\sqrt {\rho }}\right)\quad {\text{where}}\quad \rho ={\frac {Z_{1}}{Z_{2}}}\quad Z_{m}={\sqrt {Z_{1}Z_{2}}}$ см. Валкенбург 1998 , стр. 11_3-11_5.

Большие положительные числа означают большие потери. Потери являются монотонной функцией отношения импедансов. Более высокие коэффициенты требуют более высоких потерь.

Преобразование T-pad в Pi-pad

Это преобразование Y-Δ ^{[ 5 ]} ${\begin{aligned}R_{z}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{c}}}\\R_{x}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{b}}}\\R_{y}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{a}}}.\end{aligned}}$

Преобразование пи-пада в T-pad

Это преобразование Δ-Y ^{[ 5 ]} ${\begin{aligned}R_{c}&={\frac {R_{x}R_{y}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\\R_{a}&={\frac {R_{z}R_{x}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\\R_{b}&={\frac {R_{z}R_{y}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\end{aligned}}$

Преобразование между двумя портами и контактными площадками

T-pad для параметров импеданса

Параметры импеданса для пассивного двухпортового устройства: $V_{1}=Z_{11}I_{1}+Z_{12}I_{2}\qquad V_{2}=Z_{21}I_{1}+Z_{22}I_{2}\qquad {\text{with}}\qquad Z_{12}=Z_{21}$ Резистивный t-pad всегда можно представить как двухпортовый. Представление особенно просто с использованием следующих параметров импеданса: $Z_{21}=R_{c}\qquad Z_{11}=R_{c}+R_{a}\qquad Z_{22}=R_{c}+R_{b}$

Параметры импеданса для T-pad

Предыдущие уравнения тривиально обратимы, но если потерь недостаточно, некоторые компоненты t-pad будут иметь отрицательное сопротивление. $R_{c}=Z_{21}\qquad R_{a}=Z_{11}-Z_{21}\qquad R_{b}=Z_{22}-Z_{21}$

Параметры импеданса для пи-пада

Эти предыдущие параметры T-pad могут быть алгебраически преобразованы в параметры Pi-pad. ${\begin{aligned}R_{z}&={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{21}}}\\R_{x}&={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{22}-Z_{21}}}\\R_{y}&={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{11}-Z_{21}}}\end{aligned}}$

Pi-pad для параметров допуска

Параметры допуска для пассивных двух портов: $I_{1}=Y_{11}V_{1}+Y_{12}V_{2}\qquad I_{2}=Y_{21}V_{1}+Y_{22}V_{2}\qquad {\text{with}}\qquad Y_{12}=Y_{21}$ Резистивный пи-пад всегда можно представить как двухпортовый. Представление особенно просто с использованием следующих параметров проводимости: $Y_{21}={\frac {1}{R_{z}}}\qquad Y_{11}={\frac {1}{R_{x}}}+{\frac {1}{R_{z}}}\qquad Y_{22}={\frac {1}{R_{y}}}+{\frac {1}{R_{z}}}$

Параметры допуска к пи-паду

Предыдущие уравнения тривиально обратимы, но если потерь недостаточно, некоторые компоненты pi-pad будут иметь отрицательное сопротивление. $R_{z}={\frac {1}{Y_{21}}}\qquad R_{x}={\frac {1}{Y_{11}-Y_{21}}}\qquad R_{y}={\frac {1}{Y_{22}-Y_{21}}}\,$

Общий случай, определение параметров импеданса исходя из требований

Поскольку площадка полностью состоит из резисторов, она должна иметь определенные минимальные потери, чтобы соответствовать источнику и нагрузке, если они не равны.

Минимальные потери определяются выражением ^{[ 4 ]} $\mathrm {Loss_{min}} =20\log _{10}\left({\sqrt {\rho -1}}+{\sqrt {\rho }}\right)\,\quad {\text{where}}\quad \rho ={\frac {\max[Z_{S},Z_{\text{Load}}]}{\min[Z_{S},Z_{\text{Load}}]}}$

Хотя пассивное согласование с двумя портами может иметь меньшие потери, в этом случае его нельзя будет преобразовать в резистивный аттенюатор. $A=10^{-\mathrm {Loss} /20}\qquad Z_{11}=Z_{S}{\frac {1+A^{2}}{1-A^{2}}}\qquad Z_{22}=Z_{\text{Load}}{\frac {1+A^{2}}{1-A^{2}}}\qquad Z_{21}=2{\frac {A{\sqrt {Z_{S}Z_{\text{Load}}}}}{1-A^{2}}}$

Как только эти параметры определены, их можно реализовать в виде Т-образной или пи-панели, как обсуждалось выше.

См. также

Примечания

^ Оксфордский словарь английского языка не предлагает этимологию этого термина, но отмечает его использование в журнале Electronics за февраль 1931 года.

Ссылки

^ Справочник инженеров NAB, Таблица 9-3 Резистивные площадки (PDF) (5-е изд.). Национальная ассоциация телерадиовещателей. 1960. стр. 9–10.
^ «Аттенюаторы фиксированные | Keysight (ранее подразделение электронных измерений Agilent)» . www.keysight.com . Проверено 31 августа 2018 г.
^ О радиочастотных аттенюаторах. Архивировано 30 октября 2013 г. в Wayback Machine – Herley General Microwave.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Валкенбург 1998 , стр. 11_3.
^ Jump up to: ^а ^б Хейт и Кеммерли 1971 , с. 494

Хейт, Уильям; Кеммерли, Джек Э. (1971), Анализ инженерных цепей (2-е изд.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-027382-0
Валкенбург, Мак Э. ван (1998), Справочные данные для инженеров: радио, электроника, компьютеры и связь (восьмое изд.), Newnes, ISBN 0-7506-7064-9

Внешние ссылки

[1] Оксфордский словарь английского языка не предлагает этимологию этого термина, но отмечает его использование в журнале Electronics за февраль 1931 года.

[2] Справочник инженеров NAB, Таблица 9-3 Резистивные площадки (PDF) (5-е изд.). Национальная ассоциация телерадиовещателей. 1960. стр. 9–10.

[Agilent_Overview-3] «Аттенюаторы фиксированные | Keysight (ранее подразделение электронных измерений Agilent)» . www.keysight.com . Проверено 31 августа 2018 г.

[4] О радиочастотных аттенюаторах. Архивировано 30 октября 2013 г. в Wayback Machine – Herley General Microwave.

[Valkenburg_1998_11_3-5] Jump up to: ^а ^б ^с Валкенбург 1998 , стр. 11_3.

[Hayt_1981_494-6] Jump up to: ^а ^б Хейт и Кеммерли 1971 , с. 494

[ а ]

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]