Аттенюатор (электроника)

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

Аттенюатор мощности 100 Вт

Аттенюатора представляет собой электронное устройство , которое уменьшает мощность в виде сигнала без заметного искажения его формы волны .

Аттенюатор - это полная противоположность усилителю , хотя они работают разными способами. В то время как усилитель обеспечивает усиление , аттенюатор обеспечивает потери или усиление менее 1.

Строительство и использование [ править ]

Аттенюаторы обычно представляют собой пассивные устройства, состоящие 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 цепи с низким сопротивлением КСВН .

Фиксированные аттенюаторы в цепях используются для снижения напряжения, рассеивания мощности и улучшения согласования импеданса . При измерении сигналов используются аттенюаторы или адаптеры для снижения амплитуды сигнала на известную величину, чтобы сделать возможными измерения, 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 [ править ]

Основные схемы, используемые в аттенюаторах, - это контактные площадки пи (π-типа) и Т-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, должны быть несбалансированной формы, в то время как аттенюаторы для использования с витой парой должны быть сбалансированной формы.

На рисунках слева приведены четыре принципиальные схемы аттенюатора. Поскольку схема аттенюатора состоит исключительно из пассивных резисторных элементов, она является как линейной, так и обратной . Если схема также сделана симметричной (это обычно так, поскольку обычно требуется, чтобы входное и выходное сопротивление Z ₁ и Z ₂ были равны), то входные и выходные порты не различаются, но по соглашению левый и правый стороны схемы называются входом и выходом 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 от 1/2 до 40 дБ для использования в цепях с сопротивлением 600 Ом. ^[1]

Характеристики аттенюатора [ править ]

Основные характеристики аттенюаторов: ^[2]

• Затухание выражается в децибелах относительной мощности. Прокладка 3 дБ снижает мощность до половины, 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, например, 6 дБ - это половина напряжения.
• Номинальное сопротивление , например 50 Ом
• Полоса частот , например DC-18 ГГц
• Рассеиваемая мощность зависит от массы и площади поверхности резистивного материала, а также от возможных дополнительных охлаждающих ребер.
• КСВ - коэффициент стоячей волны для входных и выходных портов.
• Точность
• Повторяемость

ВЧ аттенюаторы [ править ]

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

Важные характеристики:

• точность,
• низкий КСВ,
• плоская частотная характеристика и
• повторяемость.

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

Аттенюаторы звука [ править ]

Аттенюатор линейного уровня в предусилителе или аттенюатор мощности после усилителя мощности использует электрическое сопротивление для уменьшения амплитуды сигнала, который достигает динамика, уменьшая громкость на выходе. Аттенюатор линейного уровня имеет более низкую мощность, например потенциометр на 1/2 Вт 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 усилитель мощности и динамик.

• Аттенюатор мощности (гитара)
• Гитарный усилитель

Значения компонентов для резистивных площадок и аттенюаторов [ править ]

В этом разделе рассматриваются пи-контактные, Т-образные и L-образные контактные площадки, полностью сделанные из резисторов и оканчивающиеся на каждом порте с чисто реальным сопротивлением.

• Предполагается, что все импеданс, токи, напряжения и двухпортовые параметры являются чисто реальными. Для практических приложений это предположение часто бывает достаточно близким.
• Площадка разработана для определенного импеданса нагрузки Z _Load и определенного импеданса источника Z _s .
  • Полное сопротивление, видимое при взгляде на входной порт, будет Z _S, если выходной порт завершен Z _Load .
  • Импеданс смотрит в выходной порт будет Z _{нагрузки} , если входной порт завершается Z _S .

Справочные данные для расчета компонентов аттенюатора [ править ]

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 вторая цифра, если полное сопротивление нагрузки больше, чем полное сопротивление источника.

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

Расчет значения компонента L-образной площадки предполагает, что проектный импеданс порта 1 (слева) равен проектному сопротивлению порта 2 или превышает его.

Используемые термины [ править ]

• Pad будет включать пи-площадку, Т-образную площадку, L-образную площадку, аттенюатор и два порта.
• Двухпортовый будет 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 равное сопротивление.
• Потери означают отношение мощности, поступающей на входной порт площадки, к мощности, потребляемой нагрузкой.
• Вносимые потери означают отношение мощности, которая была бы передана нагрузке, если бы нагрузка была напрямую подключена к источнику, деленная на мощность, потребляемую нагрузкой при подключении через контактную площадку.

Используемые символы [ править ]

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

• Z _S = выходное сопротивление источника.
• Z _{Нагрузка} = входное сопротивление нагрузки.
• Z _in = импеданс, видимый при взгляде на входной порт, когда Z- _{нагрузка} подключена 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 - это функция импеданса источника.
• V _s = разомкнутая цепь источника или напряжение без нагрузки.
• V _in = напряжение, приложенное к входному порту источником.
• V _out = напряжение, приложенное к нагрузке выходным портом.
• I _in = ток, поступающий во входной порт от источника.
• I _out = ток, поступающий в нагрузку с выходного порта.
• P _in = V _in I _in = мощность, поступающая на входной порт от источника.
• P _out = V _out I _out = мощность, потребляемая нагрузкой от 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. И если Z _s = Z _Load, то L _pad = 20 log ₁₀ (V _in / V _out ). Обратите внимание, как определено, потери ≥ 0 дБ.
• L _{вставка} = 10 log ₁₀ (P _прямой / P _out ). И если Z _s = Z _Load, то L _{вставка} = L _{площадка} .
• Потеря ≡ L _{накладки} . Потеря определяется как L _pad .

Расчет симметричного резистора Т-образной контактной площадки [ править ]

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

Расчет симметричного резистора pi pad [ править ]

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

L-Pad для расчета сопротивления согласующего резистора [ править ]

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

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

${\displaystyle {\text{Loss}}=20\log _{10}\left({\sqrt {\rho -1}}+{\sqrt {\rho }}\right)\quad {\text{where}}\quad \rho ={\frac {Z_{1}}{Z_{2}}}\quad Z_{m}={\sqrt {Z_{1}Z_{2}}}{\text{ }}\,}$см. Валкенбург, стр. 11-3 ^[5]

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 [ править ]

Это преобразование Y-Δ

${\displaystyle R_{z}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{c}}}\qquad R_{x}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{b}}}\qquad R_{y}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{a}}}.\qquad \,}$ ^[6]

Преобразование pi-pad в T-pad [ править ]

Это преобразование Δ-Y

${\displaystyle R_{c}={\frac {R_{x}R_{y}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\qquad R_{a}={\frac {R_{z}R_{x}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\qquad R_{b}={\frac {R_{z}R_{y}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\qquad \,}$ ^[6]

Преобразование между двумя портами и пэдами [ править ]

Т-образный переходник к параметрам импеданса [ править ]

Параметры импеданса для пассивного двухпортового устройства:

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

Всегда можно представить резистивную Т-образную контактную площадку как двухполюсную. Это представление особенно просто с использованием следующих параметров импеданса:

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

Параметры импеданса Т-образной контактной площадки [ править ]

Предыдущие уравнения тривиально обратимы, но если потерь недостаточно, некоторые из компонентов тройника 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-пэда [ править ]

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

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

Пи-пад к параметрам допуска [ править ]

Параметры полной проводимости для двух пассивных портов:

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

Всегда можно представить резистивный пи-пад как двухпортовый. Представление особенно просто с использованием следующих параметров проводимости:

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

Параметры допуска к пи-паду [ править ]

Предыдущие уравнения тривиально обратимы, но если потерь недостаточно, некоторые компоненты пи-контактной площадки будут иметь отрицательные сопротивления.

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

Общий случай, определение параметров импеданса из требований [ править ]

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

Минимальный убыток определяется как

${\displaystyle Loss_{min}=20\ log_{10}\left({\sqrt {\rho -1}}+{\sqrt {\rho }}\quad \right)\,\quad {\text{where}}\quad \rho ={\frac {\max[Z_{S},Z_{Load}]}{\min[Z_{S},Z_{Load}]}}\,}$ ^[4]

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

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

Как только эти параметры определены, они могут быть реализованы в виде Т-образной или пи-панели, как описано выше.

См. Также [ править ]

• ВЧ- и СВЧ-регулируемые аттенюаторы
• Оптический аттенюатор

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме аттенюатора (электроники) .

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