Аттенюаторы

Аттенюаторы – это пассивные устройства, но их удобнее рассматривать вместе с децибелами. Аттенюаторы используются для ослабления сигнала, например, для уменьшения высокого уровня сигнала генератора для обеспечения низкого уровня, необходимого для подачи на антенный вход чувствительного радиоприемника (рисунок ниже). Аттенюатор может быть, как встроен в генератор сигналов, так и быть отдельным устройством. Он может обеспечивать фиксированный или регулируемый уровень ослабления. Секция аттенюатора может также обеспечивать изоляцию между источником и проблемной нагрузкой.

В случае, когда аттенюатор является отдельным устройством, он должен быть помещен между источником сигнала и нагрузкой в разрыв пути прохождения сигнала, как показано на рисунке выше. Кроме того, его импеданс должен совпадать и с импедансом источника Z_i, и с импедансом нагрузки Z_н, обеспечивая при этом указанную величину затухания. В этом разделе мы рассмотрим только конкретный, и самый распространенный, случай, когда выходное сопротивление источника и сопротивление нагрузки равны.

Наиболее распространенные типы аттенюаторов – секции Т и П типа.

Когда необходимо больше ослабить сигнал, несколько секций аттенюатором можно включить каскадно, как показано на рисунке ниже.

Децибелы

Отношения напряжений, используемые при разработке аттенюаторов, часто выражаются в децибелах. Безразмерный коэффициент ослабления напряжения (далее К) может быть получен из ослабления, выраженного в децибелах. Коэффициенты отношения мощностей, выраженные в децибелах, складываются. Например, аттенюатор 10 дБ, следующий за аттенюатором 6 дБ, обеспечит общее затухание 16 дБ.

10 дБ + 6 дБ = 16 дБ

Замечаемое изменение уровней звука примерно пропорционально логарифму отношения мощностей (P_вх/P_вых).

\(уровень \, звука = \log_{10} (P_{вх}/P_{вых})\)

Изменение уровня звука на 1 дБ едва заметно для слушателя, в то время, как 2 дБ замечается легко. Ослабление на 3 дБ соответствует уменьшению мощности наполовину, а усиление на 3 дБ соответствует удвоению уровня мощности. 

Изменение мощности в децибелах и отношение мощностей связаны формулой:

\(dB = 10 \log_{10} (P_{вх}/P_{вых})\)

Предполагая, что нагрузка R_вх для P_вх такая же, как и резистор R_вых для P_вых (R_вх = R_вых), значения в децибелах могут быть получены из отношений напряжений (U_вх/U_вых) и токов (I_вх/I_вых):

\(P_{вых} = U_{вых} I_{вых} = U_{вых}^2 / R = I_{вых}^2 R\)

\(P_{вх} = U_{вх} I_{вх} = V_{вх}^2 / R = I_{вх}^2 R\)

\(dB= 10 \, \log_{10}(P_{вх} / P_{вых}) = 10\, \log_{10}(U_{вх}^2 / U_{вых}^2) = 20 \, \log_{10}(U_{вх}/U_{вых})\)

\(dB = 10 \, \log_{10}(P_{вх} / P_{вых} ) = 10 \, \log_{10}(I_{вх}^2 / I_{вых}^2 ) = 20\, \log_{10}(I_{вх} /I_{вых} )\)

Аттенюатор Т-типа

Аттенюаторы Т и П типа подключаются к комплексным сопротивлениям Z источника и Z нагрузки. Z со стрелкой, направленной от аттенюатора, на рисунке ниже означает импеданс аттенюатора. Z со стрелкой, направленной на аттенюатор, означает, что к аттенюатору с сопротивлением Z подключается устройство с сопротивлением Z, в нашем случае Z = 50 Ом. Данное сопротивление постоянно (50 Ом) по отношению к ослаблению – при изменении ослабления импеданс не меняется.

В таблицах ниже приведены списки номиналов резисторов для аттенюаторов Т и П типа при одинаковых импедансах источника и нагрузки, равных 50 Ом, обычно используемых при работе на радиочастотах.

Телефонное оборудование и другая звуковая техника часто требует использования 600 Ом. Умножьте все значения R на отношение (600/50), чтобы аттенюатор соответствовал требованиям 600-омной техники. Умножение на 75/50 преобразует таблицу значений для соответствия 75-омным источнику и нагрузке.

dB – ослабление в децибелах

Z – импеданс источника/нагрузки (активное сопротивление)

K > 1

\[K = \frac{U_{вх}}{U_{вых}} = 10^{dB/20}\]

\[R_1 = Z \left( \frac{K-1}{K+1} \right)\]

\[R_2 = Z \left( \frac{2K}{K^2-1} \right)\]

Величину ослабления принято указывать в дБ (децибелах). Хотя нам нужен и коэффициент отношения напряжений (или токов), чтобы найти значения резисторов из формул. Посмотрите на формулу выше с возведением числа 10 в степень dB/20 для вычисления отношения напряжений K из децибелов.

Т-тип (и приведенный ниже П-тип) – это наиболее часто используемые типы аттенюаторов, так как они двунаправлены. То есть, вход и выход аттенюатора можно поменять местами, и его импеданс всё так же будет соответствовать импедансам источника и нагрузки, и он так же будет обеспечивать точно такое же затухание.

Отключив источник и взглянув на аттенюатор со стороны входа в точке U_вх, мы должны увидеть ряд последовательных и параллельных соединений R1, R2, R1 и Z, образующих эквивалентное сопротивление Z_вх, такое же, как и импеданс Z источника/нагрузки (нагрузка Z всё еще подключена к выходу):

\(Z_{вх} = R_1 + (R_2 ||(R_1 + Z))\)

Например, подставим в формулу значения R1 и R2 для 50-омного аттенюатора 10 дБ, как показано на рисунке ниже. 

\(Z_{вх} = 25.97 + (35.14 ||(25.97 + 50))\)

\(Z_{вх} = 25.97 + (35.14 || 75.97 )\)

\(Z_{вх} = 25.97 + 24.03 = 50\)

Это показывает нам, что мы увидим 50 Ом при взгляде на аттенюатор со стороны входа (рисунок ниже) при нагрузке 50 Ом.

Вернув источник сигнала, отключив нагрузку Z в точке U_вых и взглянув на аттенюатор со стороны выхода, мы должны получить такую же формулу, что и выше, для импеданса в точке U_вых, благодаря симметрии. 

Аттенюатор П-типа

Ниже приведена таблица номиналов резисторов аттенюатора П-типа для импеданса источника/нагрузки 50 Ом для наиболее частых значений затухания. Резисторы, соответствующие другим значениям затухания, могут быть рассчитаны по формулам.

\[K = \frac{U_{вх}}{U_{вых}} = 10^{dB/20}\]

\[R_3 = Z \left( \frac{K^2-1}{2K} \right)\]

\[R_4 = Z \left( \frac{K+1}{K-1} \right)\]

Применим приведенные выше значения к аттенюатору на рисунке ниже.

С какими номиналами понадобятся резисторы для аттенюатора П-типа с ослаблением 10 дБ и для работы с источником и нагрузкой 50 Ом?

10 дБ соответствуют коэффициенту ослабления напряжения К=3,16 в предпоследней строке в таблице выше. Переместите номиналы резисторов из этой строки на схему (рисунок выше).

Аттенюатор Г-типа

В таблице ниже приведен список номиналов резисторов для аттенюаторов Г-типа для 50-омных источника и нагрузки.

\[K = \frac{U_{вх}}{U_{вых}} = 10^{dB/20}\]

\[R_5 = Z \left( \frac{K-1}{K} \right)\]

\[R_6 = Z \frac{Z}{K-1}\]

В таблице ниже приведен список номиналов резисторов для альтернативной формы аттенюатора. Обратите внимание, что номиналы резисторов отличаются от предыдущей таблицы.

\[K = \frac{U_{вх}}{U_{вых}} = 10^{dB/20}\]

\[R_7 = Z (K-1)\]

\[R_8 = Z \left( \frac{K}{K-1} \right)\]

Мостовой Т-образный аттенюатор

В таблице ниже приведен список номиналов резисторов для мостового Т-образного аттенюатора. Мостовой Т-образный аттенюатор используется не часто. Почему бы?

\[K = \frac{U_{вх}}{U_{вых}} = 10^{dB/20}\]

\[R_9 = Z (K-1)\]

\[R_10 = Z \frac{Z}{K-1}\]

Каскадное включение

Секции аттенюаторов могут быть включены каскадно, как показано на рисунке ниже, для получения затухания, большего, чем доступно от одной секции. Например, два аттенюатора по 10 дБ могут быть включены каскадно, чтобы обеспечить затухание 20 дБ, значения в децибелах будут суммироваться. Коэффициент ослабления напряжения К или U_вх/U_вых для секции аттенюатора 10 дБ равен 3,16. Коэффициент ослабления напряжения двух каскадно включенных секций равен произведению двук К или 3,16 x 3,16 = 10.

Переменное ослабление с дискретным шагом может быть обеспечено коммутируемым аттенюатором. Например, на рисунке ниже показано положение 0 дБ, и доступно изменение ослабления от 0 до 7 дБ с помощью подключения от одной и более секций или отключения всех секций.

У типового многосекционного аттенюатора секций больше, чем показано на рисунке выше. Добавление секции 3 или 8 дБ позволяет устройству охватить значения до 10 дБ и выше. Более низкие уровни сигнала достигаются добавлением секций 10 дБ и 20 дБ, или удвоенной секции 16 дБ.

Радиочастотные аттенюаторы

При работе на радиочастотах (РЧ, RF) (< 1000 МГц) отдельные секции должны быть установлены в экранированных отсеках, чтобы не допустить емкостной связи при получении более низких уровней сигналов на высоких частотах. Отдельные секции коммутируемых аттенюаторов из предыдущего раздела устанавливаются в экранированных секциях. Чтобы расширить диапазон частот за 1000 МГц, могут быть предприняты дополнительные меры, которые включают в себя конструкцию из бессвинцовых резистивных элементов специальной формы.

Секция коаксиального Т-аттенюатора состоит из резистивных стержней и резистивного диска, как показано на рисунке выше. Эта конструкция может использоваться до нескольких гигагерц.

Коаксиальная версия П-аттенюатора будет состоять из одного резистивного стержня между двумя резистивными дисками в коаксиальной линии передач, как показано на рисунке ниже.

Высокочастотные разъемы (не показаны) присоединены к концам изображенных Т и П аттенюаторов. Разъемы позволяют подключать отдельные секции каскадно между источником и нагрузкой. Например, аттенюатор 10 дБ может быть помещен между проблемным источником сигнала и входом дорогостоящего анализатора спектра. Даже если затухание нам не нужно, дорогостоящее измерительное оборудование защищено от источника с помощью ослабления любого перенапряжения.

Подведем итоги

Аттенюатор уменьшает уровень входного сигнала до более низкого уровня.

Значение затухания задается в децибелах (дБ). Для подключенных каскадно секций значения в децибелах складываются.

Отношение мощностей в децибелах: \(dB = 10 \log_{10} (P_{вх}/P_{вых})\)

Отношение напряжений в децибелах: \(dB = 20 \log_{10} (U_{вх}/U_{вых})\)

Наиболее часто используемые схемы аттенюаторов: аттенюаторы Т и П типа.

Теги