Vf útlmové články – popis, parametre, simulácia – 1. časť

Úvod

Útlmové články (attenuators alebo pads) sú dvojportové súčiastky, ktorých hlavnou funkciou je zníženie úrovne signálu privádzaného na ich vstup. Vo veľkej miere sa využívajú aj na širokopásmové impedančné prispôsobenie, prípadne sa vkladajú ako izolácia medzi dva vysokofrekvenčné obvody. Ich schematická značka je znázornená na obrázku 1. V prvej časti článku rozoberiem najpoužívanejšie zapojenia pevných útlmových článkov a popíšem, ako z nich ľahko spraviť laditeľné prvky. Druhá časť článku bude venovaná PIN diódam a ich využitiu pri návrhu laditeľných útlmových článkov. Na záver druhej časti ukážem na konkrétnom príklade postup návrhu a simulácie napätím riadeného vysokofrekvenčného útlmového článku s využitím programu LT Spice.

Parametre a rozdelenie útlmových článkov

Základnými parametrami útlmových článkov sú hodnota útlmu L a jeho zvlnenie, t. j. frekvenčná charakteristika vyjadrená parametrom s21. Ďalej je to impedančné prispôsobenie ku charakteristickej impedancii systému na ich vstupnom a výstupnom porte. Kvalitu impedančného prispôsobenia udávajú parametre s11(pre vstupný port) a s22(výstupný port). Posledným zo základných parametrov je veľkosť výkonu, ktorý môžeme bezpečne priviesť na jeho vstup.

Podľa princípu činnosti vieme útlmové články rozdeliť do dvoch kategórií. Prvú z nich tvoria prispôsobené útlmové články, t. j. články, ktorých porty sú na vstupe aj výstupe prispôsobené k impedancii zdroj Zin= ZG, resp. záťaže Zout= ZL. V tomto prípade je signál utlmený čisto vďaka prechodovým stratám vnútri obvodu. Naproti tomu existujú tzv. odrazové útlmové články, ktoré utlmia signál vďaka impedančnému neprispôsobeniu. Môžu byť tvorené napr. jednoduchým sériovým alebo paralelným odporovým prvkom, ktorý vnesie do systému presne definované neprispôsobenie. Toto má za následok, že určitá časť signálu sa odrazí od vstupného portu, čím sa na výstup prenesie signál menšej úrovne. Tomuto typu sa však v ďalšom texte nebudem venovať.

Ďalej môžeme útlmové články rozdeliť napr. na pevné a laditeľné útlmové články; symetrické a nesymetrické útlmové články; čisto odporové, či tvorené nelineárnymi prvkami.

Základné zapojenia pevných odporových útlmových článkov

Na obrázku 2 a 3 sú nakreslené dve najčastejšie používané zapojenia útlmových článkov spolu so vzťahmi na výpočet jednotlivých komponentov, ktoré možno použiť pri návrhu takýchto obvodov.

Vzťahy pre π- zapojenie:

 

Zin–požadovaná vstupná impedancia (Ω)

Zout–požadovaná výstupná impedancia (Ω)

L –požadovaná hodnota útlmu (dB)

Vzťahy pre T- zapojenie:

Ak chceme využiť tieto zapojenia na impedančné prispôsobenie obvodov, bude sa nám hodiť vzťah pre výpočet minimálne dosiahnuteľnej hodnoty útlmu Lminpri známych hodnotách vstupnej a výstupnej impedancie.

Tento vzťah možno chápať tak, že ak chceme použiť odporový útlmový článok na širokopásmové prispôsobenie zdroja s impedanciou ZG(napr. ZG= Zin= = 100 Ω) k záťaži ZL(napr. ZL= Zout= = 50 Ω), musíme počítať s určitými minimálnymi prechodovými stratami (v tomto prípade Lmin= 7,66 dB).

Posledným typom čisto odporového zapojenia, o ktorom sa tu zmienim, je premostený T-článok. Na obrázku 4 je jeho schéma zapojenia. Vzťahy na výpočet jednotlivých prvkov obvodu pre aplikácie, kde Zin= Zout= Z0sú:

Z0–impedancia systému (Ω)

L –požadovaná hodnota útlmu (dB)

Pri bližšom pohľade na vzťahy pre výpočet odporov Rsi(sériové zapojenie) a Rpi(zapojené voči zemi) hneď vidíme, že pri všetkých spomenutých zapojeniach s veľkosťou útlmu hodnota odporov Rsirastie a naopak, hodnota Rpiklesá. Tento poznatok využijeme ďalej pri návrhu útlmových článkov tvorených polovodičovým prvkami.

Laditeľné útlmové články tvorené polovodičovými prvkami

V praxi sa často stretávame s útlmovými článkami realizovanými pomocou polovodičových prvkov. Ich topológia je v podstate rovnaká ako pri odporových útlmových článkoch s tým rozdielom, že odpory nahradíme prvkami s nelineárnou voltampérovou charakteristikou, ako sú napr. diódy alebo tranzistory. Hlavnou výhodou je, že vhodným nastavením pracovného bodu vieme meniť dynamický odpor takejto súčiastky v širokom rozsahu. Tým pádom vieme pomerne jednoducho realizovať napätím alebo prúdom laditeľný útlmový článok, ktorý sa často využíva napríklad v systémoch AGC (pozri obrázok 5).

RF AMP –vysokofrekvenčný zosilňovač

ATT –preladiteľný útlmový článok

COUP –smerová odbočnica

DET –vysokofrekvenčný detektor

AGC AMP –AGC zosilňovač

REF –referenčný signál

Spôsob náhrady odporov polovodičovými prvkami si možno ukázať na príklade premosteného T zapojenia. Toto zapojenie je často používané na elektronicky riadené útlmové články, pri ktorých sa ako riadené prvky využívajú PIN diódy. Jeho výhodou je to, že na zmenu útlmu nám stačia iba 2 PIN diódy (oproti 3, resp. 4 v prípade T-, či π- zapojenia). Samotným PIN diódam sa budem viac venovať v druhej časti tohto článku. Teraz je dôležitý hlavne fakt, že tak ako aj pri bežných PN diódach pracujúcich v priepustnom smere, dynamický odpor PIN diódy s rastúcim jednosmerným prúdom klesá.

Na obrázku 6 je znázornená závislosť hodnôt odporov Rs1a Rp1v premostenom T-zapojení (podľa obrázka 4) od požadovanej hodnoty útlmu pre charakteristickú impedanciu systému Z0= 50 Ω. Ak nahradíme odpor Rs1diódou D1a odpor Rp1diódou D2, tak z tohto grafu vidíme, že pre správne fungovanie obvodu musíme navrhnúť také zapojenie, aby pri malej hodnote útlmu tiekol diódou D1veľký prúd a zároveň diódou D2malý prúd. A naopak, na dosiahnutie veľkej hodnoty útlmu musí diódou D1tiecť malý prúd a diódou D2veľký.

Jedno zo zapojení spĺňajúce tieto podmienky je znázornené na obrázku 7. Celé riešenie spočíva v tom, že jednosmerné prúdy tečúce cez diódy D1a D2tečú do spoločnej záťaže R2. Keďže anóda diódy D1je napájaná z pevného zdroja V+, nárast prúdu cez D2vytvorí väčší úbytok napätia na odpore R2, čo spôsobí zníženie prúdu tečúceho odporom R1a diódou D1. Preto pri zvýšení riadiaceho napätia V_CTRL prúd Idc2vzrastie, Idc1klesne, a tým sa zvýši vysokofrekvenčný útlm medzi RF_IN a RF_OUT. Hodnoty odporov R1, R2a R3musia byť navrhnuté podľa konkrétneho typu PIN diódy. Cievky L1a L2tu slúžia na oddelenie vysokofrekvenčnej a jednosmernej časti obvodu. V prípade, že pri návrhu dostaneme hodnoty odporov R1a R2väčšie ako 1 kΩ, môžeme tieto cievky vynechať. Oddeľovacie kondenzátory C1–C3, rovnako ako blokovací kondenzátor C4, volíme podľa požadovaného frekvenčného pásma. Vo väčšine prípadov sa ich hodnota pohybuje od 10 nF do 100 nF.

Záver

V tomto článku som uviedol niektoré z najčastejšie používaných zapojení pevných útlmových článkov. Tieto zapojenia sú pomerne jednoduché, takže pri dodržaní zásad pre správny návrh vysokofrekvenčných plošných spojov a teda pri minimalizácii parazitných indukčností a kapacít je ich možné pomocou vyššie uvedených vzťahov bez väčších problémov realizovať. V nasledujúcej časti sa viac zameriam na preladiteľné útlmové články s využitím PIN diód a na názornom príklade opíšem spôsob ich simulácie v programe LTSpice.