Хотя аттенюаторы – устройства пассивные, при этом их уместно рассмотреть в контексте темы про децибелы. Аттенюаторы ослабляют (аттенюируют) выходной высокоуровневый сигнал генератора, обеспечивая низкоуровневый сигнал для чего-либо, вроде антенного входа чувствительного радиоприемника (рисунок 1). Аттенюатор может быть частью самого генератора или же работать автономно. Величина затухания сигнала может быть как фиксированной, так и регулируемой. Секция аттенюатора в схеме также может играть роль изоляции между источником и проблемной нагрузкой.
Рис. 1.Аттенюатор с постоянным сопротивлением согласован с импедансом источника ZВход и импедансом нагрузки ZВыход. Для радиочастотного оборудования Z стандартно составляет 50 Ом.
Если аттенюатор автономен, то путь прохождения сигнала размыкается и в этом месте аттенюатор последовательно устанавливается между источником сигнала и нагрузкой, как показано в правой части рисунка 1. Кроме того, он должен соответствовать как импедансу источника ZВход, так и импедансу нагрузки ZВыход, обеспечивая при этом заданную величину затухания. В этом разделе мы рассмотрим только частный и наиболее распространённый случай, когда импедансы источника питания и нагрузки равны. Неравные импедансы источника и нагрузки могут быть согласованы с помощью секции аттенюатора, но в сегодняшней теме эти случаи рассматривать не станем. Там всё несколько сложнее.
Рис. 2. Наибольшее распространение получили аттенюаторы Т- и Π-типа.
Стандартно используемые конфигурации – аттенюаторные системы T- и Π-типа. Зачастую несколько секций с аттенюаторами соединяются каскадно, если нужно ещё более ослабить сигнал.
Использование децибел для аттенюаторов
Коэффициенты напряжения, используемые при проектировании аттенюаторов, часто выражаются в децибелах. Коэффициент напряжения должен быть получен из затухания, выраженного в децибелах. Коэффициенты мощности, выраженные в децибелах, складываются. Например, если в схеме после аттенюатора на 10 дБ следует аттенюатор на 6 дБ, то общее затухание составит 16 дБ.
10 дБ + 6 дБ = 16 дБ
Изменение уровня звука примерно пропорционально логарифму отношения мощностей (PВход/PВыход).
Уровень звука = log10(PВход/PВыход)
Изменение уровня звука на 1 дБ практически незаметно для слушателя, чего уже не скажешь про 2 дБ. Ослабление на 3 дБ соответствует падению мощности вдвое, а усиление на 3 дБ соответствует удвоению мощности. Иногда пишут, к примеру, что коэффициент усиления равен -3 дБ, что означает затухание на +3 дБ, (как уже сказано, это соответствует половине исходного уровня мощности).
Изменение мощности в децибелах в зависимости от отношения мощностей составляет:
дБ = 10 log10(PВход/PВыход)
Предполагая, что нагрузка RВход для PВход такая же, как сопротивление нагрузки RВыход для PВыход (то есть, RВход = RВыход), децибелы могут быть получены как из отношения напряжений (VВход/VВыход) так и из отношения сил тока (IВход/IВыход):
Двумя наиболее часто используемыми уравнениями децибел являются:
дБ = 10 log10(PВход/PВыход) или дБ = 20 log10(VВход/VВыход)
Мы будем использовать вторую формулу, так как нам нужно соотношение напряжений. Опять же, уравнение с отношением напряжений применимо только тогда, когда оба соответствующих резистора равны. То бишь сопротивление источника и нагрузки должно быть одинаковым.
Примеры с использованием уравнений децибел
Пример: мощность аттенюатора составляет 10 Вт, выходная мощность – 1 Вт. Найдите затухание в дБ.
Аттенюаторы Т- и П-типа подключаются к импедансам ZИсточник и ZНагрузка. На это указывают Z-стрелки, направленные со стороны аттенюатора (на рисунке 3). Что касается Z-стрелок, направленных в сторону аттенюатора, то они указывает на то, что с противоположной стороны к аттенюатору подключена ZНагрузка, в нашем случае Z = 50 Ом. Этот импеданс является постоянным (он равен 50 Ом) по отношению к затуханию – полное сопротивление не меняется при изменении ослабления.
Чуть ниже в таблице приведены значения номиналов резисторов для аттенюаторов Т- и П-типа, чтобы выполнялось соответствие импедансу 50 Ом источника питания и нагрузки (обычно это используется для приборов, работающих с радиочастотами).
Что касается телефонных сетей и других приложений, где передаётся звук, то там часто требуют согласования с сопротивлением 600 Ом. Чтобы скорректировать с учётом 600 Ом, в приведённой таблице умножьте все значения R на соотношение (600/50). А если, к примеру, значения в таблице умножить на 75/50, то это приведёт в соответствие с источником питания и нагрузкой на 75 Ом.
Рис. 3. Формулы для резисторовТ-образного аттенюатора для заданных K (коэффициентов ослабления напряжения) и ZВход = ZВыход = 50 Ом.
Величина ослабления обычно указывается в дБ (децибелах). Тем не менее, нам нужно отношение напряжений (или сил тока) K, чтобы найти номиналы резисторов из уравнений. Чтобы найти K, нужно вычислить показатель степени дБ/20 для основания 10 (формула сверху-слева на рисунке 3).
Т-, и разбираемая ниже П-, конфигурации используются чаще всего, поскольку именно они обеспечивают двунаправленное соответствие. То есть вход и выход аттенюатора можно поменять местами с одного конца на другой, и система по-прежнему будет соответствовать импедансам источника питания и нагрузки, обеспечивая при этом одинаковое ослабление.
Если отключить источник питания и на схеме посмотреть вправо от VВход, то увидим последовательно-параллельную комбинацию из R1, R2, R1 и Z, которую можно рассматривать как эквивалентное сопротивление ZВход, оно будет таким же, как сопротивление Z источника питания или нагрузки (ведь мы отключили только источник питания, но на выходе ZНагрузка до сих пор подключено).
ZВход = R1 + (R2 | | (R1 + Z))
Например, если заменить значения 10 дБ из таблицы аттенюатора 50 Ом на R1 и R2 (схема приведена на рисунке 4), то:
Это демонстрирует, что со стороны входа на аттенюаторе будет наблюдаться 50 Ом (рисунок 4 ниже) при нагрузке 50 Ом.
Давайте сделаем наоборот: вернём источник питания и отключим ZНагрузка на VВыход. Из-за симметрии конфигурации если смотреть справа-налево, то получим то же самое уравнение для импеданса на VВыход. Кроме того, три резистора будут иметь номиналы, обеспечивающие требуемое затухание от входа к выходу. Это достигается если приведённые выше уравнения для R1 и R2 применить к Т-аттенюатору.
Рис. 4. Если отключить или источник питания или нагрузку, то входное или выходное сопротивление на 10-дБ аттенюаторе составит 50 Ом.
П-образный аттенюатор
В таблице на рисунке 5 ниже приведены значения резистора для аттенюатора Π-типа, соответствующего источнику/нагрузке 50 Ом при некоторых общих уровнях затухания. Резисторы, соответствующие другим уровням затухания, можно рассчитать по уравнениям, опираясь на эту таблицу.
Рис. 5. Формулы для резисторов аттенюатора Π-типа для заданных K (коэффициента ослабления напряжения) и ZВход = ZВыход = 50 Ом.
Какие значения сопротивления будут необходимы для обоих П-аттенюаторов на 10 дБ затухания соответствующих 50 Ом источника питания и нагрузки?
Рис. 6. Пример аттенюатора П-типа 10 дБ, согласованного с источником питания и нагрузкой на 50 Ом.
10 дБ соответствует коэффициенту ослабления напряжения K = 3,16 (предпоследняя строка в таблице). В схему перенесены номинальные значения резисторов из этой строки.
L-образный аттенюатор
В таблице ниже приведены значения резисторов для L-аттенюаторов, соответствующие источнику/нагрузке 50 Ом. Также указаны номиналы резисторов для альтернативной («перевёрнутой») схемы аттенюатора. Обратите внимание, что номиналы резисторов для обоих случаев не совпадают.
Рис. 7. Таблица для аттенюаторов L-типа для 50 Ом источника питания и полного сопротивления нагрузки.Рис. 8. Таблица для альтернативной схемы аттенюаторов L-типа для 50 Ом источника питания и полного сопротивления нагрузки.
Рис. 9. Формулы и сокращённая таблица для секции мостового аттенюатора Т-типа, Z = 50 Ом.
Каскадные аттенюаторы
Секции отдельных аттенюаторов можно соединить каскадом, как показано на рисунке 10 ниже, для большего ослабления, чем может обеспечить единичная секция. Например, два аттенюатора на 10 дБ можно подключить каскадом для обеспечения ослабления 20 дБ, в подобных случаях значения в дБ складываются. Коэффициент ослабления напряжения K или соотношение VВход/VВыход для секции аттенюатора 10 дБ составляет 3,16. Коэффициент затухания напряжения для двух каскадных секций является произведением двух K, то есть 3,16 × 3,16 = 10.
Переменное затухание можно обеспечить с помощью переключаемого аттенюатора (отключение отдельных секций позволит дискретно менять общий коэффициент). На рисунке 11 ниже показано установленное значение 0 дБ, при этом ослабление можно варьировать в пределах от 0 до 7 дБ путем аддитивного переключения (можно подключить одну или нескольких секций или не подключать ни одной).
Типичный многосекционный аттенюатор имеет гораздо больше секций, чем показано на этом рисунке. Добавление секций на 3 или 8 дБ позволяет устройству охватывать диапазон значений до 10 дБ и более. Ещё более низкие уровни сигнала достигаются путём добавления секций на 10 дБ и 20 дБ. Чтобы дополнительно ослабить сигнал добавляют секции аттенюаторов кратных 16 дБ.
Высокочатотные (радиочастотные) аттенюаторы
Для работы с радиочастотами (<1000 МГц) отдельные секции аттенюаторов устанавливаются в экранированных отсеках, что предотвращает паразитную ёмкостную «связь», если более низкие уровни сигнала должны быть достигнуты на самых высоких частотах. Отдельные секции коммутируемых (переключаемых) аттенюаторов монтируются в экранированных секциях. Можно приложить дополнительные усилия для расширения частотного диапазона за пределы 1000 МГц. В частности, используются резистивные элементы специальной формы, не содержащие свинец.
Рис. 12. Экранированный отсек для отдельных секций аттенюаторов исключает ёмкостную «связь» с другими секциями. Это позволяет работать с высокими частотами до 1000 Мгц.
Коаксиальный Т-образный аттенюатор, состоящий из резистивных стержней и резистивных дисков, см. рисунок 13 ниже. Эта конструкция позволяет обрабатывать частоты в нескольких гигагерц. Коаксиальная Π-версия будет иметь один резистивный стержень между двумя резистивными дисками в коаксиальной линии:
Радиочастотные разъёмы (на рисунках не показаны), прикреплены к концам упомянутых выше аттенюаторов T- и Π-типа. Разъёмы позволяют каскадно подключать отдельные дополнительные аттенюаторы между источником питания и нагрузкой. Например, аттенюатор на 10 дБ можно поместить между проблемным источником сигнала и входом дорогостоящего анализатора спектра. Хотя страховочное ослабление может и не понадобиться, дорогостоящее испытательное оборудование на всякий случай защищено от перепадов напряжения в источнике питания путём ослабления любого перенапряжения.
Итог:
Аттенюатор уменьшает (ослабляет) входной сигнал до более низкого уровня.
Величина затухания (ослабления) указывается в децибелах (дБ). Для секций каскадного аттенюатора значения в децибелах аддитивны (складываются).
Отношения мощностей в дБ: дБ = 10 log10(PВход/PВыход)
Отношения напряжений в дБ: дБ = 20 log10(VВход/VВыход)
АттенюаторыT- и Π-типа являются наиболее распространёнными конфигурациями в схемах.
