Переменный аттенюатор: типы и использование

A переменный аттенюаторпредставляет собой пассивный или активный ВЧ/СВЧ-компонент, предназначенный для уменьшения амплитуды сигнала на контролируемую величину при сохранении приемлемого согласования импедансов во всей рабочей полосе пропускания. В отличие от фиксированных аттенюаторов, которые обеспечивают единые заранее заданные вносимые потери, регулируемые аттенюаторы позволяют регулировать -непрерывно или дискретно-уровни затухания в диапазоне обычно от-нуля до 30 дБ или выше, в зависимости от топологии и требований приложения. Устройство находит критически важное применение в контурах автоматической регулировки усиления, регулировании мощности передатчика, расширении динамического диапазона приемника и испытательном оборудовании, где важна точная манипуляция уровнем сигнала.

Я буду честен: первый регулируемый аттенюатор, который я включил в проект, оказался катастрофой. Не потому, что деталь была плохой-техническое описание выглядело идеально. 0.5 шаг дБ, диапазон 31,5 дБ, от постоянного тока до 4 ГГц. В таблице данных не было указано на изменение вносимых потерь в зависимости от температуры. Мы строили наружный блок для системы беспроводной транзитной связи. Летние испытания прошли нормально. В январе в Миннесоте звук был на 1,8 дБ меньше при максимальном затухании. Петля АРУ сошла с ума, пытаясь компенсировать это.

Этот урок стоил нам вращения доски и шести недель. Теперь я проверяю три вещи, прежде чем даже взглянуть на диапазон затухания:

Вносимые потери в состоянии минимального затухания. Это ваш базовый штраф,-вы платите его постоянно.

Дельта вносимых потерь во всем диапазоне температур. Обычно спрятан на странице 14 таблицы данных.

КСВ привсесостояния затухания, а не только тот, который они выбрали-для главной страницы.

Все остальное вторично.

Большинство радиоинженеров в первую очередь обращаются к аттенюаторам на PIN-диодах, и на это есть веские причины. Физика элегантна: подача тока в внутреннюю область, проводимость увеличивается, ВЧ-сопротивление падает. Измените смещение на противоположное, и вы получите высокий импеданс. Подключите несколько из них к пи- или тройниковой сети с правильным согласованием, и вы получите плавно регулируемое затухание, управляемое постоянным напряжением или током.

Частотный диапазон действительно впечатляет. Частота от постоянного тока до 40 ГГц достижима при хорошем дизайне. Некоторые специализированные детали работают на частоте выше 50 ГГц. Skyworks SKY12347-362LF, который я использовал, наверное, в дюжине проектов, охватывает диапазон от постоянного тока до 6 ГГц с диапазоном около 32 дБ. Твердая часть. Не захватывающе, но солидно.

Вот о чем не говорят в руководствах по применению: PIN-диоды обладают эффектом памяти на низких частотах. Ниже примерно 10 МГц накопленный заряд в собственной области не очищается достаточно быстро между ВЧ-циклами, и затухание становится-зависимым от уровня сигнала. Я видел скачок искажений третьего-порядка на 15 дБ в конструкции, которая должна была работать в диапазоне от 1 МГц до 2 ГГц. Исправлением стало добавление-фильтра верхних частот на входе,-что не понравилось системному архитектору.

Температурный коэффициент — еще одна ошибка. PIN-аттенюаторы, управляемые по току, дрейфуют, поскольку кривая зависимости сопротивления диода от-зависимости-тока смещается в зависимости от температуры. Версии с управлением по напряжению-немного лучше, но не защищены. Бюджет 0,02-0,05 дБ/градус для целей планирования. В приложениях прецизионных измерений это немаловажно.

Variable Attenuator

Совершенно другое животное. DSA переключаются между сегментами фиксированного аттенюатора с помощью переключателей FET или MEMS. Вы отправляете параллельное или последовательное цифровое слово, и деталь выбирает, какая комбинация резистивных площадок находится на пути сигнала.

Плюсы: повторяемость исключительная. Состояние 01101 дает вам такое же ослабление сегодня, завтра и в следующем году. Монотонность гарантирована замыслом-каждый бит добавляет указанное приращение. Скорость переключения варьируется от наносекунд (GaAs FET) до микросекунд (MEMS), что достаточно быстро для управления пакетной мощностью TDMA.

Плохо: вы застряли на отдельных шагах. 6-битный DSA дает разрешение 0,5 дБ, что звучит нормально, пока вам не понадобится 7,3 дБ и вам не придется выбирать между 7,0 и 7,5. В контуре АРУ это квантование создает предельные циклы. Петля постоянно перемещается между двумя состояниями, никогда не останавливаясь. Я «решил» эту проблему, добавив аналоговый VVA небольшого-диапазона после сырого DSA, но это работает.

Неприятное: глюки при смене битов. Когда DSA переключается с 01111 (15,5 дБ) на 10000 (16 дБ), наступает момент-может быть, 5 нс, а может быть и 50 нс-, когда внутренние переключатели находятся между состояниями, и затухание становится неопределенным. Обычно ниже любой конечной точки, что означает, что скачок мощности попадает на ваш нижестоящий усилитель. PE43711 от pSemi справляется с этой задачей лучше, чем большинство других устройств, благодаря архитектуре, не допускающей сбоев, но это не волшебство. Есть еще временная энергия.

6-битный аттенюатор с младшим битом 0,5 дБ обеспечивает диапазон 31,5 дБ. Довольно стандартно.

Так почему же существуют 7-битные части? Две причины. Во-первых, более высокое разрешение: шаг 0,25 дБ позволяет более точно подстроить усиление системы. Во-вторых,-и это менее очевидно,-дополнительный бит можно использовать для резервирования. Некоторые производители позволяют вам выбирать между использованием всех 7 бит для шага 0,25 дБ или использованием 6 бит для шага 0,5 дБ с 7-м битом в качестве «тонкой настройки», которая смещает всю кривую. Удобно для компенсации отклонений в производстве от-от детали.

Компания Peregrine (теперь pSemi) разработала технологию UltraCMOS, которая сделала высокопроизводительные кремниевые DSA жизнеспособными. До этого, если вам нужна была серьёзная пропускная способность, вы покупали GaAs, что означало $$$ и питание 5 В. PE4312 и его потомки перенесли 50-омные DSA на землю CMOS 3,3 В. Изменена экономика многих проектов.

Микроэлектромеханические системы обещали совершить революцию в области ослабления радиочастот. Крошечные физические переключатели, практически идеальные в закрытом состоянии и практически размыкающиеся в открытом. Никаких полупроводниковых паразитов. Омический контакт.

Теория держится. МЭМС-аттенюаторы обеспечивают вносимые потери и линейность, недоступные кремнию. Analog Devices ADRF5720 работает на частоте 40 ГГц с вносимыми потерями около 1,5 дБ. Попробуйте это с переключателем FET.

Но-и это большое, но-надежность остается спорной. Переключатели MEMS физически перемещаются. Движущиеся части изнашиваются. Производители заявляют о миллиардах циклов, и в благоприятных лабораторных условиях они, вероятно, их получают. В приложении с термоциклированием, влажностью, вибрацией? Я настроен скептически. Я видел ровно один МЭМС-аттенюатор в промышленной конструкции, над которой работал, и это было в испытательном приборе, где скорость переключения составляла, возможно, несколько раз в секунду. Для базовой станции сотовой связи, выполняющей тысячи корректировок мощности в секунду... спросите меня еще раз через пять лет.

Также существует проблема с упаковкой. Устройства MEMS требуют герметизации, в противном случае влажный воздух попадет внутрь и что-то подвергнется коррозии или прилипнет. Герметичная упаковка стоит денег. Вся ценность предложения начинает колебаться, когда ваш «МЭМС-кристалл за 15 долларов» поставляется в «герметичной упаковке за 8 долларов» с «стоимостью сборки 12 долларов».

Variable Attenuator

Зайдите в любую радиочастотную испытательную лабораторию, и в линейке калибровки вы найдете пластинчато-роторные аттенюаторы. Эти волноводные звери,-физически вращающие резистивную карту, чтобы изменить объем принимаемого ею сигнала,-обеспечивают точность, с которой электронные аттенюаторы с трудом могут сравниться.

Вайншель 953 серии. Hewlett-Packard 355C/D (да, HP, а не Agilent или Keysight-, эти штуки очень старые и до сих пор работают). Прецизионные волноводные блоки Flann Microwave. Они тяжелые, медленные, дорогие и абсолютно надежные. Если вам нужен опорный уровень 40 дБ с точностью до ±0,1 дБ в диапазоне от 18 до 26,5 ГГц, вам не нужен полупроводник.

Для настольного использования ручные ступенчатые аттенюаторы с кнопкой-остановки по-прежнему остаются весьма актуальными. Старый Kay 1/839 можно купить на eBay за 50 долларов, он обеспечивает шаг от 1 дБ до 79 дБ с лучшим согласованием, чем большинство интегрированных DSA. Межсоединения добавляют потери, которые необходимо откалибровать, но для быстрых экспериментов они идеальны.

Я храню JFW 50R-142 в ящике стола. Фиксированный коаксиальный кабель сопротивлением 50 Ом, номинальный ток 2 ГГц, шаг от 0 до 110 дБ с шагом 1 дБ. Переключатели представляют собой настоящие прецизионные резисторные сети, а не полупроводники. Он построен как танк и переживет меня.

Другой мир. В волоконных системах затухание управляется на оптическом уровне, и механизмы этого интересны.

VOA на основе MEMS-используйте наклонное зеркало. Свет приходит из входного волокна, попадает на зеркало и отражается в сторону выходного волокна. Немного наклоните зеркало, и часть света не попадет в выходное ядро. Наклоните его больше, больше света пропадет. Аналоговое управление, разумная скорость, отличная повторяемость. DiCon MEMS VOA по сути был отраслевым стандартом в течение десятилетия.

Жидкокристаллические ВОАиспользовать поляризацию. Жидкий кристалл меняет состояние поляризации проходящего света; затем поляризатор ослабляется в зависимости от угла поворота. Никаких движущихся частей. Медленнее, чем MEMS, но механически пуленепробиваемый.

Есть такжепеременная волоконная решетка Брэггаподходы иэлектронное-поглощениев специальных волокнах, но это нишевые. Большинство телекоммуникационных голосовых сетей, с которыми вы столкнетесь, представляют собой MEMS или LC.

Вносимые потери здесь имеют большое значение, потому что вы часто находитесь в цепочке усиленных промежутков. Каждые 0,5 дБ, которые вы теряете в VOA, — это 0,5 дБ OSNR, которые вы никогда не вернете. Хорошие MEMS VOA достигают уровня IL ниже 0,8 дБ; дешевые достигают 1,5 дБ или хуже.

Несколько вещей, которые мне хотелось бы услышать раньше:

Согласование аттенюаторов с импедансом системы не является обязательным.

Да, ваш DSA «рассчитан на 50 Ом». Но если линии передачи вашей платы на самом деле имеют сопротивление 52 Ом из-за того, что ваш стек отклонился от-целевого значения, вы увидите пульсации S21 по частоте, которые сведут вас с ума во время определения характеристик. Это не вина аттенюатора.

Характеристики мощности предполагают идеальный теплоотвод.

Показатель «макс. входная мощность 1 Вт» был измерен с использованием оценочной платы, прикрепленной болтами к алюминиевому блоку. На вашей реальной печатной плате с медью толщиной 1 унцию и без тепловых переходов? Вы, вероятно, в безопасности до 0,4 Вт. Может быть.

Интерфейс управления имеет большее значение, чем вы думаете.

Для DSA с параллельным-интерфейсом требуется 6-7 GPIO. Если ваш микроконтроллер имеет ограничения по GPIO-, теперь вы добавляете сдвиговый регистр или расширитель I²C. DSA с последовательным интерфейсом позволяют избежать этого, но увеличивают задержку. В быстром контуре АРУ эта задержка может иметь значение. Проверьте временные диаграммы.

Примечания к заявкам поставщиков пишут люди, которые хотят продать вам детали.

Показывают золотую доску, идеальную планировку, идеальные условия. Ваш пробег будет отличаться. Прочтите примечания к приложению, чтобы ознакомиться с концепциями, а затем сверьтесь с собственными измерениями.

Это не одобрение-У меня нет никаких финансовых отношений с каким-либо производителем-просто наблюдения за уже выпущенными сборками.

ДляDSA ниже 6 ГГц: pSemi PE43711 (31,5 дБ, шаг 0,25 дБ, устойчивость к помехам-) или более дешевый PE4312 (31,5 дБ, шаг 0,5 дБ). Оба работают. У обоих есть странности. Оба имеют достаточную рыночную историю, поэтому ошибки известны.

Длянепрерывное затухание (VVA): Серия Mini-Circuits ZX76, если позволяет бюджет. Skyworks SKY12347, когда это не так. Ни один из них не идеален в зависимости от температуры. Планируйте соответственно.

Дляhigh frequency (>20 ГГц): Честно говоря, звоню производителю и веду беседу. У Analog Devices и Qorvo есть детали, выбор невелик, и «правильный» выбор во многом зависит от ваших конкретных требований. Это не бытовая электроника-на миллиметровых волнах, здесь все индивидуально.

Дляоптическая связь: DiCon и Agiltron заслужили доверие. JDS Uniphase (теперь Viavi) производит хорошие продукты, но линейки продуктов фрагментировались из-за различных приобретений. Прежде чем брать на себя обязательства, проверьте, кто на самом деле обслуживает деталь.

ЭСР убивает полупроводниковые аттенюаторы. Это не новости. Что менее обсуждается: сбой может быть незаметным. Я видел детали, которые все еще «работают» после электростатического разряда, но имеют ухудшенную линейность или сдвинутую калибровку затухания. Если ваша система внезапно не прошла испытания на электромагнитную совместимость через шесть месяцев после начала производства, а вы ничего не изменили, проверьте аттенюатор. Особенно, если в вашем сборочном цехе изменились процедуры обработки.

PIN-диоды корректно выходят из строя-дрейф затухания, увеличение искажений-но они редко выходят из строя внезапно. FET-переключатели в DSA сильно выходят из строя. Один переключатель замыкается, ваше затухание отклоняется на 4 дБ, и если вы не следите за этим, система просто загадочно ведет себя некорректно.

Отказы МЭМС, как правило, являются «застревающими» отказами. Переключатель перестает переключаться. В зависимости от того, в каком положении он застрянет, вы получите либо неработающий канал, либо постоянно-активный путь. Испытательное оборудование с МЭМС-аттенюаторами следует регулярно проверять; Переключатели, которые месяцами находятся в одном положении, могут вызвать «залипание».

Я не работал серьезно сна основе феррита-переменные аттенюаторы. Теория хороша,-магнитно-настраиваемое поглощение-но части, которые я видел, большие, энергоемкие-энергоемкие (электромагниту нужен ток) и ограничены реализациями волноводов. Могут быть приложения, где они идеальны. Лично я не встречал.

на основе графена-аттенюаторы существуют в научной литературе. Предположительно, возможность настройки возникает за счет изменения уровня Ферми и, следовательно, проводимости. Я буду уверен, что он будет-готов к производству, когда Digi-Key поставит его на склад.

Также есть работа надматериалы этапа-изменениядля радиочастотного переключения и затухания. Идея состоит в том, что некоторые материалы можно переключать между аморфным и кристаллическим состояниями с помощью тепловых импульсов, причем в каждом состоянии радиочастотные свойства существенно различаются. Ранние дни.

Вот как я это вижу: PIN-диоды для аналогового управления, DSA для цифровой точности, MEMS для тех случаев, когда вам нужны самые лучшие характеристики, механические для калибровки и метрологии, оптические для оптоволоконных систем. У каждого есть компромиссы. Ни один из них не является универсальным. Лучшие инженеры, которых я знаю, выбирают технологию, основываясь на том, какие отказы они могут вытерпеть, а не только на том, что лучше всего работает с первого дня.

Если вы вынесете из этого одно: тест на температуру. Проверьте углы диапазона затухания. Тестируйте на тех частотах, которые вам действительно интересны, а не только на тех частотах, которые в таблице данных выглядят лучше всего. Та часть, которая отлично работает при 25 градусах и 1 ГГц, может вас подвести при -20 градусах и 5,8 ГГц.

Спроси меня, откуда я знаю.