Attenuator Pembolehubah: Jenis dan Kegunaan

 

A attenuator berubah-ubahialah komponen RF/gelombang mikro pasif atau aktif yang direka untuk mengurangkan amplitud isyarat dengan jumlah yang boleh dikawal sambil mengekalkan padanan impedans yang boleh diterima merentas lebar jalur operasinya. Tidak seperti attenuator tetap, yang memberikan satu kehilangan sisipan yang telah ditetapkan, attenuator pembolehubah membenarkan pelarasan-sama ada berterusan atau diskret-aras pengecilan biasanya daripada hampir-sifar hingga 30 dB atau lebih, bergantung pada topologi dan keperluan aplikasi. Peranti ini menemui aplikasi kritikal dalam gelung kawalan perolehan automatik, peraturan kuasa pemancar, lanjutan julat dinamik penerima, dan instrumentasi ujian di mana manipulasi tahap isyarat yang tepat adalah penting.

Sebab Saya Berhenti Mempercayai Helaian Spesifikasi

Sejujurnya: peledam pembolehubah pertama yang saya tentukan ke dalam reka bentuk adalah bencana. Bukan kerana bahagian itu buruk-lembaran data kelihatan sempurna. 0.5 langkah dB, julat 31.5 dB, DC hingga 4 GHz. Apa yang lembaran data tidak tekankan ialah variasi kehilangan sisipan merentas suhu. Kami sedang membina unit luar untuk sistem pengangkutan balik tanpa wayar. Ujian musim panas berjalan lancar. Datang Januari di Minnesota, perkara itu telah dimatikan 1.8 dB pada pengecilan maksimum. Gelung AGC menjadi gila cuba mengimbangi.

Pelajaran itu memerlukan kami pusingan papan dan enam minggu. Sekarang saya menyemak tiga perkara sebelum saya melihat julat pengecilan:

Kehilangan sisipan pada keadaan pengecilan minimum. Ini ialah penalti asas anda-yang anda bayar sepanjang masa.

Delta kehilangan sisipan merentasi julat suhu penuh. Dikuburkan di halaman 14 lembaran data, biasanya.

VSWR disemuapengecilan menyatakan, bukan sahaja yang mereka sukai-pilih untuk halaman depan.

Semua yang lain adalah sekunder.

The PIN Diod: Workhorse With Quirks

Kebanyakan jurutera RF mencapai attenuator diod PIN terlebih dahulu, dan untuk alasan yang baik. Fizik adalah elegan: menyuntik arus ke kawasan intrinsik, kekonduksian meningkat, rintangan RF menurun. Balikkan bias dan anda mendapat impedans yang tinggi. Rentetan beberapa daripada ini dalam rangkaian pi atau tee dengan padanan yang betul, dan anda mempunyai pengecilan pembolehubah berterusan yang dikawal oleh voltan atau arus DC.

Julat frekuensi benar-benar mengagumkan. DC hingga 40 GHz boleh dicapai dengan reka bentuk yang baik. Sesetengah bahagian khusus menolak melepasi 50 GHz. Skyworks SKY12347-362LF, yang saya telah gunakan dalam mungkin sedozen reka bentuk, meliputi DC hingga 6 GHz dengan julat kira-kira 32 dB. Bahagian pepejal. Tidak menarik, tetapi padat.

Inilah perkara yang mereka tidak beritahu anda dalam nota aplikasi: Diod PIN mempunyai kesan ingatan pada frekuensi rendah. Di bawah kira-kira 10 MHz, cas yang disimpan di kawasan intrinsik tidak cukup cepat jelas antara kitaran RF dan pengecilan anda menjadi bergantung pada tahap-isyarat. Saya telah melihat herotan tertib-ketiga melonjak 15 dB dalam reka bentuk yang sepatutnya mengendalikan 1 MHz hingga 2 GHz. Pembetulan itu ialah menambah-penapis lulus tinggi pada input-yang arkitek sistem tidak berpuas hati.

Pekali suhu ialah gotcha yang lain. Atenuator PIN terkawal-arus hanyut kerana rintangan diod-vs-lengkung semasa beralih mengikut suhu. Voltan-versi terkawal adalah lebih baik sedikit tetapi tidak kebal. Bajet 0.02-0.05 dB/ darjah untuk tujuan perancangan. Dalam aplikasi ukuran ketepatan, itu tidak boleh diabaikan.

Peredam Langkah Digital

Haiwan yang sama sekali berbeza. DSA bertukar antara segmen attenuator tetap menggunakan suis FET atau MEMS. Anda menghantar perkataan digital selari atau bersiri, dan bahagian itu memilih gabungan pad rintangan yang berada dalam laluan isyarat.

Kebaikan: Kebolehulangan adalah luar biasa. Negeri 01101 memberi anda pengecilan yang sama hari ini, esok dan tahun depan. Kemonotoni dijamin oleh reka bentuk-setiap bit menambah kenaikan yang ditentukan. Kelajuan penukaran berjulat daripada nanosaat (GaAs FET) kepada mikrosaat (MEMS), cukup pantas untuk kawalan kuasa pecah TDMA.

Keburukan: Anda terperangkap dengan langkah-langkah diskret. DSA 6-bit memberi anda peleraian 0.5 dB, yang kedengaran baik sehingga anda memerlukan 7.3 dB dan perlu memilih antara 7.0 dan 7.5. Dalam gelung AGC, pengkuantitian ini mewujudkan kitaran had. Gelung memburu antara dua negeri selama-lamanya, tidak pernah selesai. Saya telah "menyelesaikan" perkara ini dengan menambahkan -julat kecil VVA analog selepas minyak mentah DSA, tetapi ia berfungsi.

Yang hodoh: Gangguan semasa peralihan bit. Apabila DSA bertukar daripada 01111 (15.5 dB) kepada 10000 (16 dB), terdapat seketika-mungkin 5 ns, mungkin 50 ns-di mana suis dalaman berada di antara keadaan dan pengecilan pergi ke suatu tempat yang tidak ditentukan. Biasanya lebih rendah daripada mana-mana titik akhir, bermakna lonjakan kuasa mencecah penguat hiliran anda. PE43711 daripada pSemi mengendalikan perkara ini dengan lebih baik berbanding kebanyakan dengan seni bina "kurang{12}}kurang", tetapi ia bukan sihir. Masih ada tenaga sementara.

Bit, LSB dan Mengapa Bahagian 7-Bit Wujud

Atenuator 6-bit dengan 0.5 dB LSB memberikan julat 31.5 dB. Cukup standard.

Jadi mengapa bahagian 7-bit wujud? Dua sebab. Pertama, resolusi yang lebih halus: Langkah 0.25 dB membolehkan anda memangkas keuntungan sistem dengan lebih tepat. Kedua-dan ini kurang jelas-bit tambahan boleh digunakan untuk lebihan. Sesetengah pengeluar membenarkan anda memilih antara menggunakan kesemua 7 bit untuk langkah 0.25 dB atau menggunakan 6 bit untuk langkah 0.5 dB dengan bit ke-7 sebagai "trim halus" yang mengimbangi keseluruhan lengkung. Berguna untuk mengimbangi variasi-bahagian ke bahagian dalam pengeluaran.

Peregrine (kini pSemi) mempelopori proses UltraCMOS yang menjadikan DSA silikon{0}}prestasi tinggi berdaya maju. Sebelum itu, jika anda mahukan lebar jalur yang serius, anda membeli GaA, yang bermaksud bekalan $$$ dan 5V. PE4312 dan keturunannya membawa DSA 50-ohm ke tanah CMOS 3.3V. Mengubah ekonomi banyak reka bentuk.

MEMS: Janji dan Penantian

Sistem mikroelektromekanikal berjanji untuk merevolusikan pengecilan RF. Suis fizikal kecil, pada asasnya sempurna apabila ditutup, pada asasnya terbuka apabila dibuka. Tiada parasit semikonduktor. Kenalan ohmik.

Teori bertahan. Atenuator MEMS mencapai kehilangan sisipan dan kelinearan yang tidak dapat disentuh oleh silikon. Peranti Analog ADRF5720 beroperasi hingga 40 GHz dengan kehilangan pemasukan sebanyak 1.5 dB. Cuba itu dengan suis FET.

Tetapi-dan ini adalah besar tetapi-kebolehpercayaan tetap dipertikaikan. Suis MEMS bergerak secara fizikal. Bahagian yang bergerak haus. Pengilang menuntut berbilion kitaran, dan dalam keadaan makmal yang jinak, mereka mungkin mendapatnya. Dalam aplikasi dengan kitaran haba, kelembapan, getaran? Saya skeptikal. Saya telah melihat betul-betul satu attenuator MEMS dalam reka bentuk pengeluaran yang saya kerjakan, dan itu adalah dalam instrumen ujian di mana kadar pensuisan mungkin beberapa kali sesaat. Untuk stesen pangkalan selular melakukan beribu-ribu pelarasan kuasa sesaat... tanya saya sekali lagi dalam tempoh lima tahun.

Terdapat juga masalah pembungkusan. Peranti MEMS memerlukan pengedap hermetik atau udara lembap masuk dan benda-benda terhakis atau melekat. Pakej hermetik memerlukan wang. Keseluruhan cadangan nilai mula bergoyang apabila "$15 MEMS mati" anda datang dalam "$8 pakej hermetik" dengan "$12 kos pemasangan."

Atenuator Mekanikal: Belum Mati

Pergi ke mana-mana makmal ujian RF dan anda akan menemui pengecil ram berputar dalam barisan penentukuran. Binatang pandu gelombang ini-memusingkan kad perintang secara fizikal untuk menukar jumlah isyarat yang dipintasnya-menawarkan ketepatan yang sukar dipadankan oleh attenuator elektronik.

siri Weinschel 953. Hewlett-Packard 355C/D (ya, HP, bukan Agilent atau Keysight-perkara ini sudah lama dan masih berfungsi). Unit pandu gelombang ketepatan Flann Microwave. Mereka berat, perlahan, mahal dan benar-benar boleh dipercayai. Apabila anda memerlukan rujukan 40 dB tepat kepada ±0.1 dB daripada 18 hingga 26.5 GHz, anda tidak akan mendapatkan semikonduktor.

Untuk kegunaan bangku, pengecil langkah manual dengan klik-dail henti kekal relevan. Kay 1/839 lama boleh didapati dengan harga $50 di eBay dan menyediakan 1 dB langkah kepada 79 dB dengan padanan yang lebih baik daripada kebanyakan DSA bersepadu. Sambungan menambah kerugian yang anda perlukan untuk menentukur, tetapi untuk percubaan pantas, ia adalah sempurna.

Saya menyimpan JFW 50R-142 dalam laci meja saya. Koaksial 50-ohm tetap, dinilai DC-2 GHz, langkah dari 0 hingga 110 dB dalam kenaikan 1 dB. Suis adalah rangkaian perintang ketepatan sebenar, bukan semikonduktor. Ia dibina seperti kereta kebal dan akan bertahan lebih lama daripada saya.

Atenuator Pembolehubah Optik (VOA)

dunia yang berbeza. Dalam sistem gentian, pengecilan diuruskan pada lapisan optik, dan mekanismenya menarik.

MEMS-VOA berasaskangunakan cermin senget. Cahaya masuk dari gentian input, mengenai cermin, memantul ke arah gentian keluaran. Condongkan sedikit cermin dan sedikit cahaya terlepas teras keluaran. Sengetkannya lebih banyak, lebih banyak rambatan. Kawalan analog, kelajuan yang munasabah, kebolehulangan yang sangat baik. DiCon MEMS VOA pada asasnya adalah standard industri selama sedekad.

VOA kristal cecairmengeksploitasi polarisasi. Hablur cecair memutarkan keadaan polarisasi cahaya yang melalui; polarizer kemudian melemahkan berdasarkan sudut putaran. Tiada bahagian bergerak apa-apa. Lebih perlahan daripada MEMS, tetapi kalis peluru secara mekanikal.

Ada jugagentian boleh ubah Bragg gratingpendekatan danpenyerapan terkawal-elektronikdalam gentian khusus, tetapi ini adalah niche. Kebanyakan VOA telekomunikasi yang anda akan temui ialah MEMS atau LC.

Kehilangan sisipan amat penting di sini kerana anda sering berada dalam rangkaian rentang yang diperkuatkan. Setiap 0.5 dB yang anda buang dalam VOA ialah 0.5 dB OSNR yang anda tidak akan dapat kembali. MEMS VOA yang baik mencapai IL di bawah 0.8 dB; yang murah mencecah 1.5 dB atau lebih teruk.

Nota Pemilihan Praktikal

Bahagian Yang Saya Gunakan Sebenarnya

Ini bukan pengendorsan-Saya tidak mempunyai hubungan kewangan dengan mana-mana pengeluar-hanya pemerhatian daripada binaan yang dihantar.

UntukDSA di bawah 6 GHz: pSemi PE43711 (31.5 dB, 0.25 dB langkah, glitch-tahan) atau PE4312 yang lebih murah (31.5 dB, 0.5 dB langkah). Kedua-duanya bekerja. Kedua-duanya mempunyai keanehan. Kedua-duanya mempunyai sejarah pasaran yang mencukupi sehingga kesilapan itu diketahui.

Untukpengecilan berterusan (VVA): Siri Mini-Litar ZX76 apabila belanjawan membenarkan. Skyworks SKY12347 apabila ia tidak. Kedua-duanya tidak sempurna merentas suhu. Rancang dengan sewajarnya.

Untukhigh frequency (>20 GHz): Secara jujur, saya menghubungi pengilang dan berbual. Peranti Analog dan Qorvo kedua-duanya mempunyai bahagian, pemilihannya jarang, dan pilihan "betul" sangat bergantung pada keperluan khusus anda. Ini bukan elektronik pengguna-pada gelombang milimeter, semuanya tersuai.

Untuktelekom optik: DiCon dan Agiltron telah dipercayai. JDS Uniphase (kini Viavi) menghasilkan barangan yang bagus tetapi barisan produk telah berpecah-belah melalui pelbagai pemerolehan. Semak siapa sebenarnya yang memberi perkhidmatan kepada bahagian itu sekarang sebelum anda membuat komitmen.

Mod Kegagalan Tiada Siapa Bercakap

ESD membunuh attenuator semikonduktor. Ini bukan berita. Apa yang kurang dibincangkan: kegagalan boleh menjadi halus. Saya telah melihat bahagian yang masih "berfungsi" selepas peristiwa ESD tetapi telah merendahkan kelinearan atau mengalihkan penentukuran pengecilan. Jika sistem anda tiba-tiba gagal ujian EMC enam bulan selepas pengeluaran, dan anda tidak mengubah apa-apa, pergi periksa attenuator. Terutama jika rumah pemasangan anda menukar prosedur pengendalian.

Diod PIN gagal dengan baik-pengecilan hanyut, herotan meningkat-tetapi ia jarang mati secara tiba-tiba. Suis FET dalam DSA gagal teruk. Satu suis pendek, pengecilan anda adalah salah sebanyak 4 dB, dan melainkan anda memantau untuk itu, sistem hanya bertindak salah secara misteri.

Kegagalan MEMS cenderung menjadi kegagalan "terperangkap". Suis berhenti bertukar. Bergantung pada kedudukan mana ia melekat, anda mendapat sama ada saluran mati atau laluan-kekal. Peralatan ujian dengan attenuator MEMS hendaklah digunakan dengan kerap; suis yang duduk dalam satu kedudukan selama berbulan-bulan boleh membangunkan "sticky."

Yang Saya Belum Tahu

Saya tidak bekerja dengan seriusberasaskan ferit-.attenuator boleh ubah. Teorinya keren-serapan ditala-secara magnetik-tetapi bahagian yang saya lihat adalah besar, kuasa-lapar (elektromagnet memerlukan arus) dan terhad kepada pelaksanaan pandu gelombang. Mungkin terdapat aplikasi yang sesuai. Saya tidak pernah bertemu secara peribadi.

Berasaskan graphene-.attenuator wujud dalam kesusasteraan akademik. Sepatutnya kebolehtunaian datang daripada mengubah tahap Fermi dan dengan itu kekonduksian. Saya akan percaya bahawa pengeluarannya-sedia apabila Digi-Key menyimpannya.

Ada juga kerjafasa-tukar bahanuntuk pensuisan dan pengecilan RF. Ideanya ialah bahan-bahan tertentu boleh ditukar antara keadaan amorf dan kristal menggunakan denyutan haba, dengan sifat RF yang berbeza secara dramatik di setiap negeri. Hari-hari awal.

Jadi itulah landskap seperti yang saya lihat: diod PIN untuk kawalan analog, DSA untuk ketepatan digital, MEMS untuk apabila anda memerlukan spesifikasi terbaik mutlak, mekanikal untuk penentukuran dan metrologi, optik untuk sistem gentian. Masing-masing ada kompromi. Tiada yang universal. Jurutera terbaik yang saya kenali memilih teknologi berdasarkan apa yang mereka boleh bertolak ansur dengan kegagalan, bukan hanya yang paling berkesan pada hari pertama.

Jika anda mengambil satu perkara daripada ini: uji suhu. Uji di sudut julat pengecilan. Uji pada frekuensi yang anda benar-benar mengambil berat, bukan hanya di mana lembaran data kelihatan paling cantik. Bahagian yang berfungsi dengan sempurna pada 25 darjah dan 1 GHz mungkin mengkhianati anda pada -20 darjah dan 5.8 GHz.

Tanya saya bagaimana saya tahu.