Аттенюатор (электроника)

редактировать

ВЧ-аттенюатор 30 дБ 5 Вт, постоянный ток – 18 ГГц, с коаксиальными разъемами N-типа

100 Вт аттенюатор мощности

Аттенюатор - это электронное устройство, которое уменьшает мощность сигнала без заметного искажения его форма сигнала .

Аттенюатор фактически противоположен усилителю , хотя они работают разными методами. В то время как усилитель обеспечивает коэффициент усиления , аттенюатор обеспечивает потери или коэффициент усиления менее 1.

Содержание

1 Конструкция и использование
2 Схемы аттенюатора
3 Характеристики аттенюатора
4 ВЧ аттенюаторы
5 Звуковые аттенюаторы
6 Значения компонентов для резистивных площадок и аттенюаторов
- 6.1 Контрольные цифры для расчета компонентов аттенюатора
- 6.2 Используемые термины
- 6.3 Используемые символы
- 6.4 Расчет симметричного резистора Т-образной контактной площадки
- 6.5 Расчет симметричного ПИ-контактного резистора
- 6.6 L-Pad для расчета резистора согласования импеданса
- 6.7 Преобразование Т-образной контактной площадки в Пи-контактную
- 6.8 Преобразование пи-контактной площадки в Т-образную площадку
- 6.9 Преобразование между двумя портами и контактными площадками
  - 6.9.1 Т-образная контактная площадка с параметрами импеданса
  - 6.9.2 Параметры импеданса Т-образной контактной площадки
  - 6.9.3 Параметры импеданса для пи-контактной площадки
  - 6.9.4 Pi- от контактной площадки к параметрам проводимости
  - 6.9.5 Параметры полной проводимости к пи-контактной площадке
- 6.10 Общий случай, определение параметров полного сопротивления из требований
7 См. также
8 Примечания
9 Ссылки
10 Доп. Наружные ссылки

Конструкция и использование

Аттенюаторы обычно представляют собой пассивные устройства, изготовленные из простых сетей делителей напряжения. Переключение между различными сопротивлениями формирует регулируемые ступенчатые аттенюаторы и плавно регулируемые с помощью потенциометров. Для более высоких частот используются точно согласованные сети с низким VSWR сопротивлением.

Фиксированные аттенюаторы в цепях используются для понижения напряжения, рассеивания мощности и для улучшения согласования импеданса. При измерении сигналов используются аттенюаторы или адаптеры для уменьшения амплитуды сигнала на известную величину для обеспечения возможности проведения измерений или для защиты измерительного устройства от уровней сигнала, которые могут его повредить. Аттенюаторы также используются для «согласования» импеданса за счет снижения кажущегося КСВ (коэффициента стоячей волны).

Цепи аттенюатора

Схема несимметричного аттенюатора π-типа

Схема симметричного аттенюатора π-типа

Схема несимметричного аттенюатора T-типа

Схема симметричного аттенюатора T-типа

Используемые основные схемы в аттенюаторах используются контактные площадки pi (π-типа) и T-образные контактные площадки. Может потребоваться, чтобы они были сбалансированными или несбалансированными сетями в зависимости от того, является ли геометрия линии, с которой они будут использоваться, сбалансированной или несбалансированной. Например, аттенюаторы, используемые с коаксиальными линиями , будут иметь несимметричную форму, тогда как аттенюаторы для использования с витой парой должны быть сбалансированной.

Четыре принципиальные схемы аттенюатора приведены на рисунках слева. Поскольку схема аттенюатора состоит исключительно из пассивных резисторных элементов, она является одновременно линейной и обратной. Если схема также сделана симметричной (обычно это так, поскольку обычно требуется, чтобы входное и выходное сопротивление Z 1 и Z 2 были равны), то входной и выходной порты не различаются, но по соглашению левая и правая стороны схем называются входом и выходом соответственно.

Доступны различные таблицы и калькуляторы, которые предоставляют средства определения соответствующих значений резистора для достижения определенных значений потерь. Один из первых был опубликован NAB в 1960 году для потерь от 1/2 до 40 дБ для использования в цепях на 600 Ом.

Характеристики аттенюатора

Аттенюатор ВЧ-диапазона

Основные характеристики для аттенюаторами являются:

Затухание, выраженное в децибелах относительной мощности. Прокладка на 3 дБ снижает мощность до половины, с 6 дБ до одной четвертой, 10 дБ до одной десятой, 20 дБ до одной сотой, 30 дБ до одной тысячной и так далее. Для напряжения вы удваиваете дБ, поэтому, например, 6 дБ составляет половину напряжения.
Номинальное импеданс, например 50 Ом
Полоса частот, например DC-18 ГГц
Рассеиваемая мощность зависит от массы и площади поверхности материала сопротивления, а также от возможных дополнительных охлаждающих ребер.
КСВ - коэффициент стоячей волны для портов ввода и вывода
Точность
Повторяемость

РЧ аттенюаторы

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

Важными характеристиками являются:

точность,
низкий КСВ,
плоская частотная характеристика и
повторяемость.

Размер и форма аттенюатора зависит от его способности рассеивать мощность. ВЧ-аттенюаторы используются в качестве нагрузки для известного ослабления и защитного рассеяния мощности при измерении ВЧ-сигналов.

Аудиоаттенюаторы

Аттенюатор линейного уровня в предусилителе или аттенюатор мощности после источника питания В усилителе используется электрическое сопротивление , чтобы уменьшить амплитуду сигнала, который достигает динамика, уменьшая громкость на выходе. Аттенюатор линейного уровня имеет более низкую мощность, например, 1/2 Вт потенциометр или делитель напряжения, и управляет сигналами уровня предусилителя, тогда как аттенюатор мощности имеет более высокую мощность обработки, например, 10 Вт или более, и используется между усилителем мощности и динамиком.

Значения компонентов для резистивных контактных площадок и аттенюаторов

В этом разделе рассматриваются пи-контактные площадки, Т-образные и L-образные контактные площадки, полностью изготовленные из резисторов и подключенные к каждый порт с чисто реальным сопротивлением.

Все импеданс, токи, напряжения и двухполюсные параметры будут считаться чисто реальными. Для практических приложений это предположение часто бывает достаточно близким.
Контактная площадка разработана для определенного импеданса нагрузки, Z Нагрузка, и определенного импеданса источника, Z s.
- Полное сопротивление, видимое при взгляде во входной порт будет Z S, если выходной порт завершен Z Load.
- Импеданс, видимый при взгляде на выходной порт, будет Z Load, если вход порт оканчивается Z S.

Справочные цифры для расчета компонентов аттенюатора

Эта схема используется для общего случая, все Т-образные контактные площадки, все пи-контактные площадки и L-контактные площадки, когда полное сопротивление источника больше или равно сопротивление нагрузки.

Расчет L-контактной площадки предполагает, что порт 1 имеет наивысшее сопротивление. Если наивысший импеданс приходится на выходной порт, используйте этот рисунок.

Уникальные обозначения резисторов для контактных площадок Tee, Pi и L.

Двухпортовый аттенюатор обычно двунаправленный. Однако в этом разделе это будет рассматриваться как одностороннее. В общем, применима любая из двух цифр, но первая цифра (которая изображает источник слева) в большинстве случаев подразумевается неявно. В случае L-образной контактной площадки будет использоваться второе значение, если полное сопротивление нагрузки больше, чем полное сопротивление источника.

Каждому резистору в каждом обсуждаемом типе контактных площадок дается уникальное обозначение, чтобы избежать путаницы.

Расчет значения компонента L-образной контактной площадки предполагает, что проектное сопротивление для порта 1 (слева) равно или выше проектного импеданса для порта 2.

Используемые термины

Pad будет включать пи-площадку, Т-образную площадку, L-образную площадку, аттенюатор и два порта.
Два порта будут включать пи-площадку, Т-образную площадку, L-образную площадку, аттенюатор и двухпортовый.
Входной порт будет означать входной порт двухпортового.
Выходной порт будет означать выходной порт двухпортового.
Симметричный означает случай, когда источник и нагрузка имеют равный импеданс.
Потери означают отношение мощности, поступающей на входной порт площадки, к мощности, потребляемой нагрузкой.
Вносимые потери означают отношение мощности, которое были бы доставлены в нагрузку, если бы нагрузка была напрямую подключена к источнику, деленная на мощность, потребляемую нагрузкой при подключении через контактную площадку.

Используемые символы

Пассивные, резистивные контактные площадки и аттенюаторы являются двунаправленными. портов, но в этом разделе они будут рассматриваться как однонаправленный.

ZS= выходное сопротивление источника.
ZНагрузка = входное сопротивление нагрузки.
Zin= полное сопротивление, видимое при взгляде на входной порт, когда Z нагрузка подключена к выходной порт. Z in является функцией импеданса нагрузки.
Zout = импеданс, видимый при взгляде на выходной порт, когда Z s подключен к входному порту. Z out - это функция импеданса источника.
Vs= разомкнутая цепь источника или напряжение без нагрузки.
Vin= напряжение, приложенное к входному порту источником.
Vout = напряжение приложенный к нагрузке выходным портом.
Iin= ток, входящий во входной порт от источника.
Iout = ток, входящий в нагрузку из выходного порта.
Pin= V inIin= входящая мощность порт ввода от источника.
Pout = V out I out = мощность, потребляемая нагрузкой из порта вывода.
Pdirect = мощность, которая была бы поглощена нагрузкой, если бы нагрузка была подключена непосредственно к источнику.
Lpad = 10 log 10(Pin/ P out) всегда. И если Z s = Z Загрузить, то L pad = 20 log 10(Vin/ V out) также. Обратите внимание, как определено, потеря ≥ 0 дБ
Lвставка = 10 log 10(Pпрямая / P выход). И если Z s = Z Загрузить, то L вставка = L pad.
Loss ≡ L pad. Потеря определяется как L pad.

Расчет симметричного Т-образного резистора

A = 10 - L oss / 20 R a = R b = ZS 1 - A 1 + AR c = Z s 2 - R b 2 2 R b {\ displaystyle A = 10 ^ {- 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}}} \ qquad \,}

A = 10 ^ {- 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}}} \ qquad \,

см. Валкенбург, стр. 11-3

Вычисление симметричного Пи-контактного резистора

A = 10 - L oss / 20 R x = R y = ZS 1 + A 1 - AR z = 2 R x (R x ZS) 2-1] {\ displaystyle A = 10 ^ {- Потеря / 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}}] \ qquad \,}

A = 10 ^ {- Потеря / 20} \ qquad R_ {x} = R_ {y} = Z_ {S} {\ fr ac {1 + A} {1-A}} \ qquad R_ {z} = {\ frac {2R_ {x}} {\ left ({\ frac {R_ {x}} {Z_ {S}}} \ right) ^ {2} -1}}] \ qquad \,

см. Валкенбург p 11-3

L-Pad для расчета резистора согласования импеданса

Если и источник, и нагрузка являются резистивными (т.е. Z 1 и Z 2 имеют ноль или очень малая мнимая часть), то можно использовать резистивную L-контактную площадку, чтобы сопоставить их друг с другом. Как показано, любая сторона L-контактной площадки может быть источником или нагрузкой, но сторона Z 1 должна быть стороной с более высоким импедансом.

р q знак равно Z м ρ - 1 р п = Z м ρ - 1 {\ displaystyle R_ {q} = {\ frac {Z_ {m}} {\ sqrt {\ rho -1}}} \ qquad R_ {p} = Z_ {m} {\ sqrt {\ rho -1}}}

R_ {q} = {\ frac {Z_ {m}} {\ sqrt {\ rho -1}}} \ qquad R_ {p} = Z_ {m} { \ sqrt {\ rho -1}}

Потери = 20 log 10 ⁡ (ρ - 1 + ρ), где ρ = Z 1 Z 2 Z m = Z 1 Z 2 { \ displaystyle {\ 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}}} {\ text {}} \,}

{\ 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}}} {\ text {}} \,

см. Валкенбург, стр. 11-3

Большие положительные числа означают большие потери. Потери - это монотонная функция отношения импедансов. Более высокие коэффициенты требуют более высоких потерь.

Преобразование T-pad в pi-pad

Это преобразование Y-Δ

R z = R a R b + R a R c + R b R c R c R x = R a R b + R a R c + R b R c R b R y = R a R b + R a R c + R b R c R a. {\ Displaystyle R_ {z} = {\ frac {R_ {a} R_ {b} + R_ {a} R_ {c} + R_ {b} R_ {c}} {R_ {c}}} \ qquad R_ { x} = {\ frac {R_ {a} R_ {b} + R_ {a} R_ {c} + R_ {b} R_ {c}} {R_ {b}}} \ qquad R_ {y} = {\ frac {R_ {a} R_ {b} + R_ {a} R_ {c} + R_ {b} R_ {c}} {R_ {a}}}. \ qquad \,}

R_ {z} = {\ frac {R_ {a} R_ {b} + R_ {a} R_ {c} + R_ {b} R_ {c}} {R_ {c}}} \ qquad R_ {x} = {\ frac {R_ {a} R_ {b} + R_ {a} R_ {c} + R_ {b} R_ {c}} {R_ {b}}} \ qquad R_ {y} = {\ frac {R_ {a} R_ {b} + R_ {a} R_ {c} + R_ {b} R_ {c}} { R_ {a}}}. \ Qquad \,

Преобразование pi-pad в T-pad

Это преобразование Δ-Y

R c = R x R y R x + R y + R z R a = R z R x R x + R y + R z R б знак равно р z р y р х + р y + р z {\ displaystyle R_ {c} = {\ frac {R_ {x} R_ {y}} {R_ {x} + R_ {y} + R_ {z} }} \ qquad R_ {a} = {\ frac {R_ {z} R_ {x}} {R_ {x} + R_ {y} + R_ {z}}} \ qquad R_ {b} = {\ frac { R_ {z} R_ {y}} {R_ {x} + R_ {y} + R_ {z}}} \ qquad \,}

R_ {c} = { \ frac {R_ {x} R_ {y}} {R_ {x} + R_ {y} + R_ {z}}} \ qquad R_ {a} = {\ frac {R_ {z} R_ {x}} { R_ {x} + R_ {y} + R_ {z}}} \ qquad R_ {b} = {\ frac {R_ {z} R_ {y}} {R_ {x} + R_ {y} + R_ {z }}} \ qquad \,

Преобразование между двумя портами и контактными площадками

T-pad параметрам импеданса

Параметры импеданса для пассивного двухполюсника равны

V 1 = Z 11 I 1 + Z 12 I 2 V 2 = Z 21 I 1 + Z 22 I 2 с Z 12 = Z 21 {\ displaystyle 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} \,}

V_ {1} = Z_ {11} I_ {1} + Z_ {12} I_ {2} \ qquad V_ {2} = Z_ {21} I_ {1} + Z_ {22} I_ {2} \ qquad {\ t ext {with}} \ qquad Z_ {12} = Z_ {21} \,

Всегда можно представить резистивную Т-образную контактную площадку как двухпортовую. Представление особенно просто с использованием следующих параметров импеданса:

Z 21 = R c Z 11 = R c + R a Z 22 = R c + R b {\ displaystyle Z_ {21} = R_ {c} \ qquad Z_ {11} = R_ {c} + R_ {a} \ qquad Z_ {22} = R_ {c} + R_ {b} \,}

Z_ {21} = R_ {c} \ qquad Z_ {11} = R_ {c} + R_ {a} \ qquad Z_ {22} = R_ {c} + R_ {b} \,

Параметры импеданса Т-образной контактной площадки

Предыдущие уравнения тривиально обратимы, но если потерь недостаточно, некоторые из компонентов тавровой площадки будут иметь отрицательное сопротивление.

R c = Z 21 R a = Z 11 - Z 21 R b = Z 22 - Z 21 {\ displaystyle R_ { c} = Z_ {21} \ qquad R_ {a} = Z_ {11} -Z_ {21} \ qquad R_ {b} = Z_ {22} -Z_ {21} \,}

R_ {c} = Z_ {21} \ qquad R_ {a} = Z_ {11} -Z_ {21} \ qquad R_ {b} = Z_ {22} -Z_ {21} \,

Параметры импеданса для pi- pad

Эти предыдущие параметры T-образной панели могут быть алгебраически преобразованы в параметры pi-pad.

R z = Z 11 Z 22 - Z 21 2 Z 21 R x = Z 11 Z 22 - Z 21 2 Z 22 - Z 21 R Y = Z 11 Z 22 - Z 21 2 Z 11 - Z 21 {\ displaystyle R_ {z} = {\ frac {Z_ {11} Z_ {22} -Z_ {21} ^ {2}} {Z_ {21}}} \ qquad R_ {x} = {\ frac {Z_ {11} Z_ {22} -Z_ {21} ^ {2}} {Z_ {22} -Z_ {21}}} \ qquad R_ { y} = {\ frac {Z_ {11} Z_ {22} -Z_ {21} ^ {2}} {Z_ {11} -Z_ {21}}} \ qquad}

R_ {z} = {\ frac {Z_ {11} Z_ {22} -Z_ {21} ^ {2}} {Z_ { 21}}} \ qquad R_ {x} = {\ frac {Z_ {11} Z_ {22} -Z_ {21} ^ {2}} {Z_ {22} -Z_ {21}}} \ qquad R_ {y } = {\ frac {Z_ {11} Z_ {22} -Z_ {21} ^ {2}} {Z_ {11} -Z_ {21}}} \ qquad

Пи-пад для параметров проводимости

The параметры полного сопротивления для двух пассивных портов:

I 1 = Y 11 V 1 + Y 12 V 2 I 2 = Y 21 V 1 + Y 22 V 2 с Y 12 = Y 21 {\ displaystyle 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} \,}

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} \,

Всегда можно представить резистивную пи-площадку как двухпортовую. Представление особенно просто с использованием следующих параметров проводимости:

Y 21 = 1 R z Y 11 = 1 R x + 1 R z Y 22 = 1 R y + 1 R z {\ displaystyle 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}}} \,}

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 из компонентов пи-контактной площадки будут иметь отрицательное сопротивление.

R z = 1 Y 21 R x = 1 Y 11 - Y 21 R y = 1 Y 22 - Y 21 {\ displaystyle R_ {z} = {\ frac {1} {Y_ {21}}} \ qquad R_ {x} = {\ frac {1} {Y_ {11} -Y_ {21}}} \ qquad R_ {y} = {\ frac {1} {Y_ {22} -Y_ {21}}} \,}

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 из требований

Поскольку контактная площадка полностью сделана из резисторов, она должна иметь определенную минимальную потерю, чтобы соответствовать источнику и загрузке, если они не равны.

Минимальная потеря определяется как

$L ossmin = 20 log 10 (ρ - 1 + ρ), где ρ = max [ZS, ZL oad] min [ZS, ZL oad] {\ displaystyle Loss_ { min} = 20 \ log_ {10} \ left ({\ sqrt {\ rho -1}} + {\ sqrt {\ rho}} \ quad \ right) \, \ quad {\ text {where}} \ quad \ rho = {\ frac {\ max [Z_ {S}, Z_ {Load}]} {\ min [Z_ {S}, Z_ {Load}]}} \,}$ $Loss_ {min} = 20 \ log_ {10} \ left ({\ sqrt {\ rho -1}} + {\ sqrt {\ rho}} \ quad \ right) \, \ quad {\ text {where}} \ quad \ rho = {\ frac {\ max [Z_ {S}, Z_ {Load}]} {\ min [Z_ {S}, Z_ {Load} ]}} \,$

Хотя пассивное согласование с двумя портами может имеют меньшие потери, в противном случае он не будет преобразован в резистивный аттенюатор.

A = 10 - L oss / 20 Z 11 = ZS 1 + A 2 1 - A 2 Z 22 = ZL нагрузка 1 + A 2 1 - A 2 Z 21 = 2 AZSZL нагрузка 1 - A 2 {\ displaystyle A = 10 ^ {- Потеря / 20} \ qquad Z_ {11} = Z_ {S} {\ frac {1 + A ^ {2}} {1-A ^ {2}}} \ qquad Z_ {22} = Z_ {Load} {\ frac {1 + A ^ {2}} {1-A ^ {2}}} \ qquad Z_ {21} = 2 {\ frac {A {\ sqrt {Z_ {S} Z_ {Load}) }}} {1-A ^ {2}}} \,}

A = 10 ^ {- Loss / 20} \ qquad Z_ {11} = Z_ {S} {\ frac {1 + A ^ {2}} {1-A ^ {2}}} \ qquad Z_ {22} = Z_ {Load} {\ frac {1 + A ^ {2}} {1-A ^ {2}}} \ qquad Z_ {21} = 2 {\ frac {A {\ sqrt {Z_ {S} Z_ {Load}}}} {1-A ^ {2}}} \,

После того, как эти параметры определены, они могут быть реализованы как T или пи-пад, как обсуждалось выше.

См. Также

Примечания

Ссылки

Hayt, William; Кеммерли, Джек Э. (1971), Engineering Circuit Analysis (2-е изд.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-027382-0
Валкенбург, Mac E. van (1998), Справочные данные для инженеров: радио, электроника, компьютер и связь (восемь изд.), Newnes, ISBN 0-7506-7064-9

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Аттенюатором (электроникой).