Quando si progettano circuiti elettronici, di solito è necessario amplificare i segnali aumentando la loro ampiezza o potenza. Ma ci sono situazioni in cui il livello del segnale deve essere diminuito. E questo compito non è così facile come sembra a prima vista.
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Cos'è un attenuatore e come funziona
Un attenuatore è un dispositivo utilizzato per ridurre deliberatamente e normalmente l'ampiezza o la potenza di un segnale in ingresso senza influenzare la sua forma.
Il principio degli attenuatori utilizzati nelle applicazioni a radiofrequenza è Divisore di tensione in resistenze o condensatori. Il segnale d'ingresso è distribuito tra le resistenze in proporzione alle resistenze. La soluzione più semplice è un divisore di due resistenze. Un tale attenuatore è chiamato un attenuatore a forma di L (L-shaped nella letteratura tecnica straniera). L'ingresso e l'uscita possono essere qualsiasi lato di questo dispositivo asimmetrico. Un attenuatore di tipo L è caratterizzato da una bassa perdita nell'accoppiamento ingresso/uscita.
Tipi di attenuatori
In pratica, l'attenuatore di tipo L è usato meno frequentemente, principalmente per accoppiare le impedenze di ingresso e di uscita. Molto più utilizzati per l'attenuazione normalizzata dei segnali sono i dispositivi di tipo P (Pi nella letteratura straniera dalla lettera latina π) e di tipo T. Questo principio permette di creare dispositivi con la stessa impedenza d'ingresso e d'uscita (ma se necessario, se ne possono usare di diversi).
L'illustrazione mostra dispositivi asimmetrici. La sorgente e il carico a loro devono essere collegati con linee sbilanciate - cavi coassiali ecc. su entrambi i lati.
Per le linee simmetriche (doppino intrecciato, ecc.) si usano circuiti simmetrici - questi sono talvolta chiamati attenuatori di tipo H e O, anche se questi sono solo variazioni dei dispositivi precedenti.
Aggiungendo una (due) resistenze, gli attenuatori di tipo T (H) diventano a ponte.
Gli attenuatori sono disponibili industrialmente come dispositivi completi con connettori per il collegamento, ma possono anche essere realizzati su un PCB come parte di un circuito generale. Gli attenuatori resistivi e capacitivi hanno un grande vantaggio: non contengono elementi non lineari, il che non distorce il segnale né fa apparire nuove armoniche nello spettro e scomparire quelle esistenti.
Oltre agli attenuatori resistivi ci sono altri tipi di attenuatori. Comunemente usati nelle applicazioni industriali sono:
- Attenuatori limitanti e polarizzanti - basati sulle proprietà strutturali delle guide d'onda;
- Attenuatori assorbenti - l'attenuazione del segnale è causata dall'assorbimento della potenza da parte di materiali appositamente selezionati;
- attenuatori ottici;
Questi tipi di dispositivi sono utilizzati nella tecnologia delle microonde e nella gamma di frequenza della luce. Alle basse e alle radio frequenze, si usano attenuatori basati su resistenze e condensatori.
Caratteristiche principali
Il coefficiente di attenuazione è il parametro principale che determina le proprietà degli attenuatori. Questo si misura in decibel. Per capire quante volte l'ampiezza del segnale diminuisce dopo aver attraversato il circuito di attenuazione, bisogna convertire il fattore da decibel a tempi. L'uscita di un dispositivo che riduce l'ampiezza del segnale di N decibel, sarà M volte inferiore:
M=10(N/20) (per potenza M=10(N/10)) .
Ricalcolo inverso:
N=20⋅log10(M) (per potenza N=10⋅log10(M)).
Così per un attenuatore con Kosl=-3 dB (sempre un coefficiente negativo poiché il valore è sempre decrescente) il segnale in uscita avrà un'ampiezza di 0,708 dell'originale. E se l'ampiezza di uscita è la metà dell'ampiezza originale, allora il Kosl è circa -6dB.
Le formule sono abbastanza complicate da calcolare a mente, quindi è meglio usare calcolatori online, di cui ce ne sono molti su Internet.
Per i dispositivi regolabili (a gradini o lisci), vengono specificati i limiti di regolazione.
Un altro parametro importante è l'impedenza dell'ingresso e dell'uscita (possono essere uguali). Relativo a questa impedenza è una caratteristica come lo Standing Wave Ratio (SWR), che è spesso indicato sui prodotti fabbricati commercialmente. Per un carico puramente attivo questo è calcolato secondo la formula:
- VSW=ρ/R se ρ>R, dove R è la resistenza di carico e ρ è l'impedenza di linea.
- VSW= R/ρ se ρ
Il VSW è sempre maggiore o uguale a 1. Se R=ρ, tutta la potenza viene trasferita al carico. Più questi valori differiscono, maggiore è la perdita. Per esempio, a VSW=1,2, il 99% della potenza raggiunge il carico, mentre a VSW=3, il 75% raggiunge il carico. Se si collega un attenuatore da 75 ohm a un cavo da 50 ohm (o viceversa) il VSW=1,5 e la perdita sarà del 4%.
Altre caratteristiche importanti da menzionare sono:
- gamma di frequenza operativa;
- massima potenza.
Anche la precisione è importante, poiché si riferisce alla deviazione ammissibile dell'attenuazione dal valore nominale. Per gli attenuatori industriali le caratteristiche sono stampate sulla custodia.
In alcuni casi, la potenza del dispositivo è importante. L'energia che non raggiunge il consumatore viene dissipata negli elementi dell'attenuatore, quindi è fondamentale non sovraccaricare.
Ci sono formule per calcolare le caratteristiche di base degli attenuatori resistivi di vari disegni, ma sono ingombranti e contengono logaritmi. Perciò avete bisogno almeno di una calcolatrice per usarli. Pertanto, è più conveniente utilizzare programmi speciali (anche online) per l'auto-calcolo.
Attenuatori regolabili
Il coefficiente di attenuazione e VSW è influenzato dal rating di tutti gli elementi che compongono l'attenuatore, quindi costruire dispositivi con resistenze con parametri continuamente regolabili è difficile da creare. Cambiando l'attenuazione, il VSWR deve essere regolato e viceversa. Tali problemi possono essere risolti utilizzando amplificatori con un guadagno inferiore a 1.
Questi dispositivi sono costruiti con transistor o OP-AMPSma la linearità è un problema. Non è facile costruire un amplificatore che non distorca la forma d'onda su un'ampia gamma di frequenze. Molto più comune è il controllo a gradini - gli attenuatori sono collegati in serie e l'attenuazione viene sommata. I circuiti che devono essere attenuati sono bypassati (contatti del relè ecc). Così, il fattore di attenuazione richiesto si ottiene senza cambiare l'impedenza dell'onda.
Ci sono progetti di attenuatori con controllo continuo basati su trasformatori a banda larga (BFT). Sono utilizzati in applicazioni di comunicazione amatoriale dove i requisiti di corrispondenza ingresso/uscita sono bassi.
La sintonizzazione uniforme degli attenuatori a guida d'onda si ottiene cambiando le dimensioni geometriche. Sono disponibili anche attenuatori ottici con una regolazione regolare dell'attenuazione, ma tali dispositivi hanno un design piuttosto complicato, poiché contengono un sistema di lenti, filtri ottici, ecc.
Applicazioni
Se un attenuatore ha diverse impedenze di ingresso e di uscita, allora, oltre alla funzione di attenuazione, può svolgere il ruolo di un dispositivo di adattamento. Per esempio, se un cavo da 75 ohm e uno da 50 ohm devono essere collegati, si può mettere tra di loro un cavo di valore appropriato e il grado di corrispondenza può essere corretto insieme all'attenuazione normalizzata.
Nelle applicazioni di ricezione, gli attenuatori sono utilizzati per evitare di sovraccaricare i circuiti d'ingresso con potenti emissioni spurie. In alcuni casi, l'attenuazione di un segnale interferente anche contemporaneamente a un debole segnale utile può migliorare la qualità della ricezione riducendo il rumore di intermodulazione.
Nelle applicazioni di misura, gli attenuatori possono essere utilizzati come disaccoppiamento - riducono l'influenza del carico sulla sorgente del segnale di riferimento. Gli attenuatori ottici sono ampiamente utilizzati per testare le apparecchiature di trasmissione/ricezione dei collegamenti in fibra ottica. Sono utilizzati per simulare l'attenuazione in una linea reale e determinare le condizioni e i limiti di un collegamento stabile.
Nell'ingegneria audio, gli attenuatori sono utilizzati come dispositivi di controllo della potenza. A differenza dei potenziometri, lo fanno con meno perdite di potenza. Qui, è più facile assicurare una regolazione regolare, poiché l'impedenza dell'onda non ha importanza - è l'attenuazione che conta. Nelle reti via cavo TV, gli attenuatori eliminano il sovraccarico degli ingressi TV e permettono di mantenere la qualità della trasmissione indipendentemente dalle condizioni di ricezione.
Non essendo il dispositivo più complesso, gli attenuatori trovano la più ampia applicazione nei circuiti a radiofrequenza e permettono una varietà di applicazioni. Alle frequenze microonde e ottiche, questi dispositivi sono costruiti in modo diverso e sono complessi assemblaggi industriali.
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