Attenuatore variabile: tipi e usi

 

A attenuatore variabileè un componente RF/microonde passivo o attivo progettato per ridurre l'ampiezza del segnale di una quantità controllabile mantenendo una corrispondenza di impedenza accettabile attraverso la sua larghezza di banda operativa. A differenza degli attenuatori fissi, che forniscono una singola perdita di inserzione predeterminata, gli attenuatori variabili consentono la regolazione-continua o discreta-dei livelli di attenuazione che vanno generalmente da quasi-zero a 30 dB o oltre, a seconda della topologia e dei requisiti dell'applicazione. Il dispositivo trova applicazioni critiche nei circuiti di controllo automatico del guadagno, nella regolazione della potenza del trasmettitore, nell'estensione della gamma dinamica del ricevitore e nella strumentazione di test in cui è essenziale una manipolazione precisa del livello del segnale.

Perché ho smesso di fidarmi delle schede tecniche

Sarò onesto: il primo attenuatore variabile che ho inserito in un progetto è stato un disastro. Non perché la parte fosse difettosa-la scheda tecnica sembrava perfetta. 0.5 passi dB, intervallo 31,5 dB, da CC a 4 GHz. Ciò che la scheda tecnica non sottolineava era la variazione della perdita di inserzione in base alla temperatura. Stavamo costruendo un'unità esterna per un sistema di backhaul wireless. I test estivi sono andati bene. A gennaio in Minnesota, la cosa era di 1,8 dB alla massima attenuazione. Il circuito AGC è impazzito nel tentativo di compensare.

La lezione ci è costata un giro sulla tavola e sei settimane. Ora controllo tre cose prima ancora di guardare l'intervallo di attenuazione:

Perdita di inserzione allo stato di attenuazione minima. Questa è la penalità di base-che paghi continuamente.

Delta della perdita di inserzione nell'intero intervallo di temperature. Sepolto a pagina 14 della scheda tecnica, di solito.

VSWR aTuttostati di attenuazione, non solo quello che-hanno scelto per la prima pagina.

Tutto il resto è secondario.

Il diodo PIN: cavallo di battaglia con stranezze

La maggior parte degli ingegneri RF ricorre innanzitutto agli attenuatori a diodi PIN, e per una buona ragione. La fisica è elegante: iniettando corrente nella regione intrinseca, la conduttività aumenta, la resistenza RF diminuisce. Inverti il ​​bias e otterrai un'alta impedenza. Collega alcuni di questi in una rete pi o tee con il corretto abbinamento e avrai un'attenuazione continuamente variabile controllata da una tensione o corrente CC.

La gamma di frequenze è davvero impressionante. La DC fino a 40 GHz è ottenibile con un buon design. Alcune parti specializzate superano i 50 GHz. Lo Skyworks SKY12347-362LF, che ho utilizzato probabilmente in una dozzina di progetti, copre da DC a 6 GHz con circa 32 dB di portata. Parte solida. Non entusiasmante, ma solido.

Ecco cosa non ti dicono nelle note applicative: i diodi PIN hanno un effetto memoria alle basse frequenze. Al di sotto di circa 10 MHz, la carica immagazzinata nella regione intrinseca non si elimina abbastanza velocemente tra i cicli RF e l'attenuazione diventa dipendente dal livello del segnale-. Ho visto la distorsione del terzo-ordine aumentare di 15 dB in un progetto che avrebbe dovuto gestire da 1 MHz a 2 GHz. La soluzione consisteva nell'aggiungere un-filtro passa alto all'ingresso-di cui l'architetto del sistema non era soddisfatto.

Il coefficiente di temperatura è l’altro problema. Gli attenuatori PIN controllati dalla corrente-si spostano perché la curva della resistenza del diodo-vs-corrente si sposta con la temperatura. Le versioni controllate dalla tensione- sono leggermente migliori ma non immuni. Budget 0,02-0,05 dB/grado per scopi di pianificazione. In un'applicazione di misurazione di precisione, questo non è trascurabile.

Attenuatori di passo digitali

Animale completamente diverso. I DSA commutano tra segmenti di attenuatore fissi utilizzando interruttori FET o MEMS. Si invia una parola digitale parallela o seriale e la parte seleziona quale combinazione di pad resistivi si trova nel percorso del segnale.

Il buono: la ripetibilità è eccezionale. Lo stato 01101 ti offre la stessa attenuazione oggi, domani e l'anno prossimo. La monotonia è garantita dal design-ogni bit aggiunge il suo incremento specificato. La velocità di commutazione varia da nanosecondi (GaAs FET) a microsecondi (MEMS), sufficientemente veloce per il controllo della potenza burst TDMA.

Il cattivo: sei bloccato con passaggi discreti. Un DSA a 6-bit ti offre una risoluzione di 0,5 dB, che suona bene finché non ti servono 7,3 dB e devi scegliere tra 7,0 e 7,5. In un ciclo AGC, questa quantizzazione crea cicli limite. Il ciclo va a caccia tra due stati per sempre, senza mai fermarsi. Ho "risolto" questo problema aggiungendo un VVA analogico-a portata ridotta dopo il DSA grezzo, ma funziona.

Il brutto: glitch durante le transizioni di bit. Quando un DSA passa da 01111 (15,5 dB) a 10000 (16 dB), c'è un momento-forse 5 ns, forse 50 ns-in cui i cambi interni si trovano tra gli stati e l'attenuazione va da qualche parte indefinita. Solitamente inferiore a uno dei due endpoint, il che significa che un picco di potenza colpisce l'amplificatore a valle. PE43711 di pSemi gestisce questo problema meglio degli altri con un'architettura "glitch-less", ma non è magia. C'è ancora energia transitoria.

Bit, LSB e perché esistono parti a 7 bit

Un attenuatore a 6 bit con LSB da 0,5 dB fornisce una gamma di 31,5 dB. Abbastanza standard.

Allora perché esistono parti a 7-bit? Due ragioni. Innanzitutto, una risoluzione più precisa: incrementi di 0,25 dB consentono di regolare il guadagno del sistema in modo più preciso. In secondo luogo-e questo è meno ovvio-il bit extra può essere utilizzato per la ridondanza. Alcuni produttori consentono di scegliere tra l'utilizzo di tutti i 7 bit per incrementi di 0,25 dB o l'utilizzo di 6 bit per incrementi di 0,5 dB con il 7° bit come "rifinitura fine" che compensa l'intera curva. Utile per compensare la variazione da pezzo a pezzo nella produzione.

Peregrine (ora pSemi) è stato il pioniere del processo UltraCMOS che ha reso possibili i DSA in silicio ad alte prestazioni. Prima di ciò, se volevi una larghezza di banda seria, compravi GaAs, il che significava $$$ e forniture da 5 V. Il PE4312 e i suoi discendenti hanno portato i DSA da 50 ohm su CMOS da 3,3 V. Ha cambiato l'economia di molti progetti.

MEMS: La promessa e l'attesa

I sistemi microelettromeccanici promettevano di rivoluzionare l’attenuazione RF. Piccoli interruttori fisici, essenzialmente perfetti quando chiusi, essenzialmente aperti quando aperti. Nessun parassita dei semiconduttori. Contatto ohmico.

La teoria regge. Gli attenuatori MEMS raggiungono una perdita di inserzione e una linearità che il silicio non può toccare. L'Analog Devices ADRF5720 funziona a 40 GHz con una perdita di inserzione di 1,5 dB. Provalo con un interruttore FET.

Tuttavia,-e questo è un aspetto importante,-l'affidabilità resta controversa. Gli interruttori MEMS si muovono fisicamente. Le parti mobili si usurano. I produttori dichiarano miliardi di cicli e, in condizioni di laboratorio favorevoli, probabilmente li ottengono. In un'applicazione con cicli termici, umidità, vibrazioni? Sono scettico. Ho visto esattamente un attenuatore MEMS in un progetto di produzione su cui ho lavorato, e questo era in uno strumento di test in cui la velocità di commutazione era forse di alcune volte al secondo. Per una stazione base cellulare che effettua migliaia di regolazioni di potenza al secondo... chiedimelo di nuovo tra cinque anni.

C'è anche il problema dell'imballaggio. I dispositivi MEMS necessitano di una chiusura ermetica altrimenti l'aria umida entra e gli oggetti si corrodono o si attaccano. I pacchetti ermetici costano denaro. L'intera proposta di valore inizia a vacillare quando il tuo "dado MEMS da 15 dollari" viene fornito in un "pacchetto ermetico da 8 dollari" con un "costo di assemblaggio di 12 dollari".

Attenuatori meccanici: non ancora morti

Recati in qualsiasi laboratorio di test RF e troverai attenuatori a palette rotanti nella gamma di calibrazione. Queste bestie della guida d'onda-ruotano fisicamente una scheda resistiva per modificare la quantità di segnale che intercetta-offrono una precisione che gli attenuatori elettronici faticano a eguagliare.

Weinschel serie 953. Hewlett-Packard 355C/D (sì, HP, non Agilent o Keysight-questi dispositivi sono così vecchi e funzionano ancora). Unità guida d'onda di precisione di Flann Microwave. Sono pesanti, lenti, costosi e assolutamente affidabili. Quando hai bisogno di un riferimento di 40 dB accurato a ±0,1 dB da 18 a 26,5 GHz, non hai a disposizione un semiconduttore.

Per l'uso al banco, gli attenuatori manuali con ghiere di arresto clic-rimangono stranamente rilevanti. Un vecchio Kay 1/839 può essere acquistato per $ 50 su eBay e fornisce incrementi da 1 dB a 79 dB con una corrispondenza migliore rispetto alla maggior parte dei DSA integrati. Le interconnessioni aggiungono perdite che dovrai calibrare, ma per esperimenti rapidi sono perfette.

Tengo un JFW 50R-142 nel cassetto della scrivania. Coassiale fisso da 50 ohm, nominale DC-2 GHz, passi da 0 a 110 dB con incrementi di 1 dB. Gli interruttori sono vere e proprie reti di resistori di precisione, non semiconduttori. È costruito come un carro armato e mi sopravviverà.

Attenuatori ottici variabili (VOA)

Mondo diverso. Nei sistemi in fibra, l'attenuazione è gestita a livello ottico e i meccanismi sono affascinanti.

VOA basati su MEMS-utilizzare uno specchio inclinabile. La luce entra dalla fibra in ingresso, colpisce lo specchio, si riflette verso la fibra in uscita. Inclinando leggermente lo specchio, parte della luce non raggiunge il nucleo di uscita. Inclinalo di più, manca più luce. Controllo analogico, velocità ragionevole, eccellente ripetibilità. Il DiCon MEMS VOA è stato essenzialmente lo standard del settore per un decennio.

VOA a cristalli liquidisfruttare la polarizzazione. Il cristallo liquido ruota lo stato di polarizzazione della luce che passa; un polarizzatore poi attenua in base all'angolo di rotazione. Nessuna parte in movimento. Più lento del MEMS, ma meccanicamente a prova di proiettile.

C'è anchereticolo di Bragg a fibra variabileapprocci eassorbimento controllato elettronicamente-nelle fibre speciali, ma queste sono di nicchia. La maggior parte dei VOA di telecomunicazioni che incontrerai sono MEMS o LC.

La perdita di inserzione è molto importante qui perché spesso ci si trova in una catena di span amplificati. Ogni 0,5 dB che sprechi nel VOA sono 0,5 dB di OSNR che non recupererai mai. I buoni VOA MEMS raggiungono IL inferiore a 0,8 dB; quelli economici raggiungono 1,5 dB o peggio.

Note pratiche sulla selezione

Le parti che utilizzo effettivamente

Queste non sono approvazioni-Non ho alcun rapporto finanziario con nessun produttore-solo osservazioni dalle build spedite.

PerDSA inferiori a 6 GHz: pSemi PE43711 (31,5 dB, incrementi di 0,25 dB, resistente ai glitch-) o il più economico PE4312 (31,5 dB, incrementi di 0,5 dB). Entrambi funzionano. Entrambi hanno delle stranezze. Entrambi hanno una storia di mercato sufficiente da rendere nota l'errata corrige.

Perattenuazione continua (VVA): La serie Mini-Circuits ZX76 quando il budget lo consente. Skyworks SKY12347 quando non è così. Nessuno dei due è perfetto a tutte le temperature. Pianifica di conseguenza.

Perhigh frequency (>20GHz): Onestamente chiamo il produttore e parlo. Analog Devices e Qorvo dispongono entrambi di componenti, la selezione è scarsa e la scelta "giusta" dipende in larga misura dai requisiti specifici. Questa non è elettronica di consumo-a onde millimetriche, tutto è personalizzato.

Pertelecomunicazioni ottiche: DiCon e Agiltron si sono dimostrati affidabili. JDS Uniphase (ora Viavi) produce ottimi prodotti, ma le linee di prodotto si sono frammentate a causa di varie acquisizioni. Controlla chi effettivamente fornisce la parte ora prima di impegnarti.

Modalità di fallimento di cui nessuno parla

L'ESD uccide gli attenuatori dei semiconduttori. Questa non è una novità. Ciò che è meno discusso: il fallimento può essere subdolo. Ho visto parti che "funzionano" ancora dopo un evento ESD ma hanno una linearità degradata o una calibrazione dell'attenuazione spostata. Se il tuo sistema improvvisamente non supera i test EMC dopo sei mesi dall'inizio della produzione e non hai modificato nulla, vai a controllare l'attenuatore. Soprattutto se la tua casa di assemblaggio ha cambiato le procedure di movimentazione.

I diodi PIN si guastano bene-l'attenuazione varia, la distorsione aumenta-ma raramente muoiono all'improvviso. Gli interruttori FET nei DSA falliscono duramente. Un interruttore va in cortocircuito, l'attenuazione è sbagliata di 4 dB e, a meno che tu non lo stia monitorando, il sistema si comporta misteriosamente male.

I guasti MEMS tendono ad essere guasti "bloccati". L'interruttore smette di commutare. A seconda della posizione in cui si blocca, ottieni un canale morto o un percorso permanentemente-attivo. Le apparecchiature di prova con attenuatori MEMS dovrebbero essere utilizzate regolarmente; gli interruttori che rimangono in una posizione per mesi possono sviluppare "sticzione".

Quello che ancora non so

Non ho lavorato seriamente cona base di ferrite-attenuatori variabili. La teoria è interessante sull'-assorbimento-regolato magneticamente-ma le parti che ho visto sono grandi,- assetate di energia (l'elettromagnete ha bisogno di corrente) e limitate alle implementazioni della guida d'onda. Potrebbero esserci applicazioni in cui sono ideali. Non ne ho incontrato uno personalmente.

A base di grafene-gli attenuatori esistono nella letteratura accademica. Presumibilmente la sintonizzabilità deriva dalla variazione del livello di Fermi e quindi della conduttività. Crederò che sia pronto per la produzione-quando Digi-Key lo immagazzinerà.

C'è anche del lavoro da faremateriali a-cambiamento di faseper commutazione e attenuazione RF. L'idea è che alcuni materiali possano essere commutati tra lo stato amorfo e quello cristallino utilizzando impulsi termici, con proprietà RF notevolmente diverse in ciascuno stato. I primi giorni.

Quindi questo è il panorama come lo vedo io: diodi PIN per il controllo analogico, DSA per la precisione digitale, MEMS per quando sono necessarie le migliori specifiche in assoluto, meccanici per calibrazione e metrologia, ottici per sistemi in fibra. Ognuno ha dei compromessi. Nessuno è universale. I migliori ingegneri che conosco scelgono la tecnologia in base a ciò che possono tollerare in caso di guasto, non solo a ciò che funziona meglio il primo giorno.

Se prendi una cosa da questo: prova la temperatura. Testare agli angoli dell'intervallo di attenuazione. Prova alle frequenze che ti interessano davvero, non solo dove la scheda tecnica sembra più bella. La parte che funziona perfettamente a 25 gradi e 1 GHz potrebbe tradirti a -20 gradi e 5,8 GHz.

Chiedimi come lo so.