Аттенюатор (электроника)

Тип электронного компонента

Аттенюатор мощности 100 Вт

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

Аттенюатор по сути является противоположностью усилителя , хотя они работают разными методами. В то время как усилитель обеспечивает усиление , аттенюатор обеспечивает потери или коэффициент усиления менее 1. В некоторых областях аттенюатор иногда называют «площадкой».

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 используются точно согласованные сети с низким сопротивлением КСВ .

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

Схема несбалансированного аттенюатора π-типа

Схема балансного аттенюатора π-типа

Схема несбалансированного аттенюатора Т-типа

Схема балансного аттенюатора Т-типа

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 представлены 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 сопротивление 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. Один из первых был опубликован 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

Радиочастотный микроволновый аттенюатор

Ключевые 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 радиочастотных 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. Аттенюатор линейного уровня имеет более низкую мощность, например потенциометр на 1/2 Вт 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.

• Аттенюатор мощности (гитара)
• Гитарный усилитель

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 _, если входной порт оканчивается Z _S.

Справочные данные для расчета компонентов аттенюатора

Эта схема используется в общем случае, для всех Т-образных площадок, всех пи- площадок и L-образных площадок, когда импеданс источника больше или равен импедансу нагрузки.

При расчете L-pad предполагается, что порт 1 имеет самый высокий импеданс. Если самый высокий импеданс приходится на выходной порт, используйте это значение.

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

Аттенюатор двухпортовый, как правило, двунаправленный. Однако в этом разделе это будет рассматриваться как одностороннее. 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

$${\displaystyle A=10^{-\mathrm {Loss} /20}\qquad R_{a}=R_{b}=Z_{S}{\frac {1-A}{1+A}}\qquad R_{c}={\frac {Z_{s}^{2}-R_{b}^{2}}{2R_{b}}}}$$

^[4]

Расчет симметричного пи-падового резистора

$${\displaystyle A=10^{-\mathrm {Loss} /20}\qquad R_{x}=R_{y}=Z_{S}{\frac {1+A}{1-A}}\qquad R_{z}={\frac {2R_{x}}{\left({\frac {R_{x}}{Z_{S}}}\right)^{2}-1}}}$$

^[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.

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

$${\displaystyle {\text{Loss}}=20\log _{10}\left({\sqrt {\rho -1}}+{\sqrt {\rho }}\right)\quad {\text{where}}\quad \rho ={\frac {Z_{1}}{Z_{2}}}\quad Z_{m}={\sqrt {Z_{1}Z_{2}}}}$$

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]

$${\displaystyle {\begin{aligned}R_{z}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{c}}}\\R_{x}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{b}}}\\R_{y}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{a}}}.\end{aligned}}}$$

Преобразование пи-пада в T-pad

Это преобразование Δ-Y ^[5]

$${\displaystyle {\begin{aligned}R_{c}&={\frac {R_{x}R_{y}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\\R_{a}&={\frac {R_{z}R_{x}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\\R_{b}&={\frac {R_{z}R_{y}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\end{aligned}}}$$

Преобразование между двумя портами и контактными площадками

T-pad для параметров импеданса

Параметры импеданса для пассивного двухпортового устройства:

$${\displaystyle V_{1}=Z_{11}I_{1}+Z_{12}I_{2}\qquad V_{2}=Z_{21}I_{1}+Z_{22}I_{2}\qquad {\text{with}}\qquad Z_{12}=Z_{21}}$$

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

Параметры импеданса для T-pad

Предыдущие уравнения тривиально обратимы, но если потерь недостаточно, некоторые компоненты t-pad будут иметь отрицательное сопротивление.

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

Параметры импеданса для пи-пада

Эти предыдущие параметры T-pad могут быть алгебраически преобразованы в параметры Pi-pad.

$${\displaystyle {\begin{aligned}R_{z}&={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{21}}}\\R_{x}&={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{22}-Z_{21}}}\\R_{y}&={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{11}-Z_{21}}}\end{aligned}}}$$

Pi-pad для параметров допуска

Параметры допуска для пассивных двух портов:

$${\displaystyle I_{1}=Y_{11}V_{1}+Y_{12}V_{2}\qquad I_{2}=Y_{21}V_{1}+Y_{22}V_{2}\qquad {\text{with}}\qquad Y_{12}=Y_{21}}$$

$${\displaystyle Y_{21}={\frac {1}{R_{z}}}\qquad Y_{11}={\frac {1}{R_{x}}}+{\frac {1}{R_{z}}}\qquad Y_{22}={\frac {1}{R_{y}}}+{\frac {1}{R_{z}}}}$$

Параметры допуска к пи-паду

Предыдущие уравнения тривиально обратимы, но если потерь недостаточно, некоторые компоненты pi-pad будут иметь отрицательное сопротивление.

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

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]

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

Хотя пассивное согласование с двумя портами может иметь меньшие потери, в этом случае его нельзя будет преобразовать в резистивный аттенюатор.

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

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

Смотрите также

• Регулируемые ВЧ и СВЧ аттенюаторы
• Оптический аттенюатор

Примечания

1. Инженерный справочник NAB, Таблица 9-3 Резистивные площадки (PDF) (5-е изд.). Национальная ассоциация телерадиовещателей. 1960. стр. 9–10.
2. «Аттенюаторы фиксированные | Keysight (ранее подразделение электронных измерений Agilent)» . www.keysight.com . Проверено 31 августа 2018 г.
3. О радиочастотных аттенюаторах. Архивировано 30 октября 2013 г. в Wayback Machine – Herley General Microwave.
4. Валкенбург 1998, стр. 11_3.
5. Hayt & Kemmerly 1971, стр. 494

Рекомендации

• 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

• Часто задаваемые вопросы об аттенюаторе мощности гитарного усилителя
• Основные схемы аттенюатора
• Объяснение типов аттенюаторов, согласование импедансов и очень полезный калькулятор.