A atenuador variablees un componente de RF/microondas pasivo o activo diseñado para reducir la amplitud de la señal en una cantidad controlable mientras mantiene una coincidencia de impedancia aceptable en todo su ancho de banda operativo. A diferencia de los atenuadores fijos, que proporcionan una única pérdida de inserción predeterminada, los atenuadores variables permiten el ajuste-continuo o discreto-de niveles de atenuación que generalmente van desde cerca-cero a 30 dB o más, dependiendo de la topología y los requisitos de la aplicación. El dispositivo encuentra una aplicación crítica en bucles de control automático de ganancia, regulación de potencia del transmisor, extensión del rango dinámico del receptor e instrumentación de prueba donde la manipulación precisa del nivel de señal es esencial.
Por qué dejé de confiar en las hojas de especificaciones
Seré honesto: el primer atenuador variable que especifiqué en un diseño fue un desastre. No porque la pieza fuera mala-la hoja de datos parecía perfecta. 0.5 pasos de dB, rango de 31,5 dB, CC a 4 GHz. Lo que la hoja de datos no enfatizó fue la variación de la pérdida de inserción según la temperatura. Estábamos construyendo una unidad exterior para un sistema de retorno inalámbrico. Las pruebas de verano salieron bien. En enero, en Minnesota, la cosa tenía un error de 1,8 dB con atenuación máxima. El circuito AGC se volvió loco tratando de compensar.
La lección nos costó una vuelta en la tabla y seis semanas. Ahora compruebo tres cosas antes incluso de mirar el rango de atenuación:
Pérdida de inserción en estado de atenuación mínima. Esta es tu penalización básica-la pagas todo el tiempo.
Delta de pérdida de inserción en todo el rango de temperatura. Enterrado en la página 14 de la hoja de datos, generalmente.
VSWR entodoestados de atenuación, no solo el que-escogieron para la página principal.
Todo lo demás es secundario.
El diodo PIN: caballo de batalla con peculiaridades
La mayoría de los ingenieros de RF optan primero por atenuadores de diodo PIN, y por una buena razón. La física es elegante: se inyecta corriente en la región intrínseca, la conductividad aumenta y la resistencia de RF disminuye. Invierta el sesgo y obtendrá una alta impedancia. Conecte algunos de estos en una red pi o en T con la combinación adecuada y obtendrá una atenuación continuamente variable controlada por un voltaje o corriente de CC.
El rango de frecuencia es realmente impresionante. Se puede lograr una CC a 40 GHz con un buen diseño. Algunas piezas especializadas superan los 50 GHz. El Skyworks SKY12347-362LF, que he usado probablemente en una docena de diseños, cubre desde CC hasta 6 GHz con aproximadamente 32 dB de alcance. Parte sólida. No es emocionante, pero sí sólido.
Esto es lo que no te dicen en las notas de aplicación: los diodos PIN tienen un efecto de memoria a bajas frecuencias. Por debajo de aproximadamente 10 MHz, la carga almacenada en la región intrínseca no se elimina lo suficientemente rápido entre los ciclos de RF y la atenuación depende del nivel-de la señal. He visto que la distorsión de tercer-orden aumenta 15 dB en un diseño que se suponía que soportaba de 1 MHz a 2 GHz. La solución fue agregar un-filtro de paso alto en la entrada-con lo que el arquitecto del sistema no estaba contento.
El coeficiente de temperatura es el otro problema. Los atenuadores de PIN actuales-controlados se desvían porque la curva de resistencia-vs-corriente del diodo cambia con la temperatura. Las versiones controladas por voltaje-son ligeramente mejores, pero no inmunes. Presupuesto 0,02-0,05 dB/grado para fines de planificación. En una aplicación de medición de precisión, esto no es despreciable.
Atenuadores de paso digitales
Animal completamente diferente. Los DSA conmutan entre segmentos de atenuador fijo mediante interruptores FET o MEMS. Envía una palabra digital en paralelo o en serie y la pieza selecciona qué combinación de pads resistivos están en la ruta de la señal.
Lo bueno: la repetibilidad es excepcional. El estado 01101 le proporciona la misma atenuación hoy, mañana y el año que viene. La monotonicidad está garantizada por el diseño-cada bit agrega su incremento especificado. La velocidad de conmutación varía desde nanosegundos (GaAs FET) hasta microsegundos (MEMS), lo suficientemente rápida para el control de potencia de ráfaga TDMA.
Lo malo: estás atrapado en pasos discretos. Un DSA de 6-bit le brinda una resolución de 0,5 dB, lo que suena bien hasta que necesita 7,3 dB y tiene que elegir entre 7,0 y 7,5. En un bucle AGC, esta cuantificación crea ciclos límite. El bucle oscila entre dos estados para siempre, sin llegar nunca a establecerse. "Resolví" esto agregando un VVA analógico de rango pequeño-después del DSA crudo, pero funciona.
Lo feo: fallos durante las transiciones de bits. Cuando un DSA cambia de 01111 (15,5 dB) a 10000 (16 dB), hay un momento-tal vez 5 ns, tal vez 50 ns-donde los cambios internos están entre estados y la atenuación llega a algún lugar indefinido. Por lo general, es más bajo que cualquiera de los puntos finales, lo que significa que un pico de energía llega a su amplificador descendente. PE43711 de pSemi maneja esto mejor que la mayoría con una arquitectura "sin fallas-", pero no es mágico. Todavía hay energía transitoria.
Bits, LSB y por qué existen piezas de 7 bits
Un atenuador de 6 bits con LSB de 0,5 dB proporciona un rango de 31,5 dB. Bastante estándar.
Entonces, ¿por qué existen piezas de 7-bits? Dos razones. En primer lugar, una resolución más fina: los pasos de 0,25 dB le permiten recortar la ganancia del sistema con mayor precisión. En segundo lugar,-y esto es menos obvio-el bit extra se puede utilizar para redundancia. Algunos fabricantes le permiten elegir entre usar los 7 bits para pasos de 0,25 dB o usar 6 bits para pasos de 0,5 dB con el séptimo bit como un "recorte fino" que compensa toda la curva. Útil para compensar la variación entre piezas-en la producción.
Peregrine (ahora pSemi) fue pionera en el proceso UltraCMOS que hizo viables los DSA de silicio de alto-rendimiento. Antes de eso, si quería un gran ancho de banda, compraba GaAs, lo que significaba $$$ y suministros de 5V. El PE4312 y sus descendientes llevaron los DSA de 50 ohmios al mundo CMOS de 3,3 V. Cambió la economía de muchos diseños.
MEMS: La promesa y la espera
Los sistemas microelectromecánicos prometieron revolucionar la atenuación de RF. Pequeños interruptores físicos, esencialmente perfectos cuando están cerrados, esencialmente abiertos cuando están abiertos. Sin parásitos semiconductores. Contacto óhmico.
La teoría se sostiene. Los atenuadores MEMS logran una pérdida de inserción y una linealidad que el silicio no puede tocar. El Analog Devices ADRF5720 funciona a 40 GHz con una pérdida de inserción de aproximadamente 1,5 dB. Pruébelo con un interruptor FET.
Pero-y este es un gran problema,-la confiabilidad sigue siendo polémica. Los interruptores MEMS se mueven físicamente. Las piezas móviles se desgastan. Los fabricantes afirman que se necesitan miles de millones de ciclos y, en condiciones de laboratorio benignas, probablemente los consigan. ¿En una aplicación con ciclos térmicos, humedad, vibración? Soy escéptico. Vi exactamente un atenuador MEMS en un diseño de producción en el que trabajé, y eso fue en un instrumento de prueba donde la velocidad de conmutación era tal vez unas cuantas veces por segundo. Para una estación base celular que realiza miles de ajustes de energía por segundo... pregúntame de nuevo dentro de cinco años.
También está el problema del embalaje. Los dispositivos MEMS necesitan un sellado hermético o el aire húmedo entra y las cosas se corroen o se pegan. Los paquetes herméticos cuestan dinero. Toda la propuesta de valor comienza a tambalearse cuando su "matriz MEMS de 15 dólares" viene en un "paquete hermético de 8 dólares" con un "costo de montaje de 12 dólares".
Atenuadores mecánicos: aún no están muertos
Vaya a cualquier laboratorio de pruebas de RF y encontrará atenuadores de paletas giratorias en la línea de calibración. Estas bestias de guías de ondas-hacen girar físicamente una tarjeta resistiva para cambiar la cantidad de señal que intercepta-ofrecen una precisión que los atenuadores electrónicos luchan por igualar.
Serie Weinschel 953. Hewlett-Packard 355C/D (sí, HP, no Agilent o Keysight-estas cosas son así de antiguas y siguen funcionando). Unidades de guía de ondas de precisión de Flann Microwave. Son pesados, lentos, caros y absolutamente confiables. Cuando necesita una referencia de 40 dB con una precisión de ±0,1 dB de 18 a 26,5 GHz, no está buscando un semiconductor.
Para uso en banco, los atenuadores de paso manuales con diales de parada de clic-siguen siendo extrañamente relevantes. Se puede conseguir un viejo Kay 1/839 por 50 dólares en eBay y proporciona pasos de 1 dB a 79 dB con una mejor adaptación que la mayoría de los DSA integrados. Las interconexiones añaden pérdidas que necesitarás calibrar, pero para experimentos rápidos, son perfectas.
Guardo un JFW 50R-142 en el cajón de mi escritorio. Coaxial fijo de 50 ohmios, nominal CC-2 GHz, pasos de 0 a 110 dB en incrementos de 1 dB. Los interruptores son redes de resistencias de precisión reales, no semiconductores. Está construido como un tanque y durará más que yo.
Atenuadores ópticos variables (VOA)
Mundo diferente. En los sistemas de fibra, la atenuación se gestiona en la capa óptica y los mecanismos son fascinantes.
VOA basadas en MEMS-Utilice un espejo inclinable. La luz entra desde la fibra de entrada, incide en el espejo y se refleja hacia la fibra de salida. Incline un poco el espejo y algo de luz no llegará al núcleo de salida. Inclínelo más, se pierde más luz. Control analógico, velocidad razonable, excelente repetibilidad. El DiCon MEMS VOA fue esencialmente el estándar de la industria durante una década.
VOA de cristal líquidoexplotar la polarización. El cristal líquido rota el estado de polarización de la luz que pasa; Luego, un polarizador se atenúa según el ángulo de rotación. Sin partes móviles de ningún tipo. Más lento que MEMS, pero mecánicamente a prueba de balas.
También hayrejilla de Bragg de fibra variableenfoques yAbsorción controlada electrónicamente-en fibras especiales, pero son de nicho. La mayoría de los VOA de telecomunicaciones que encontrará son MEMS o LC.
La pérdida de inserción es muy importante aquí porque a menudo estás en una cadena de tramos amplificados. Cada 0,5 dB que desperdicias en la VOA son 0,5 dB de OSNR que nunca recuperarás. Los buenos MEMS VOA alcanzan IL por debajo de 0,8 dB; los baratos alcanzan los 1,5 dB o peor.
Notas prácticas de selección
Algunas cosas que desearía que alguien me hubiera dicho antes:
Hacer coincidir los atenuadores con la impedancia del sistema no es opcional.
Sí, su DSA está "clasificado para 50 ohmios". Pero si las líneas de transmisión de tu placa son en realidad de 52 ohmios porque tu acumulación salió mal-objetivo, verás una onda en S21 a través de la frecuencia que te volverá loco durante la caracterización. Esto no es culpa del atenuador.
01
Las especificaciones de manejo de potencia suponen un disipador de calor perfecto.
La clasificación de "entrada máxima de 1 W" se midió con la placa de evaluación atornillada a un bloque de aluminio. ¿En su PCB real con 1 oz de cobre y sin vías térmicas? Probablemente esté seguro con 0,4W. Tal vez.
02
La interfaz de control importa más de lo que crees.
Un DSA de interfaz-paralelo necesita 6-7 GPIO. Si su microcontrolador está restringido por GPIO-, ahora está agregando un registro de desplazamiento o un expansor I²C. Los DSA de interfaz serie evitan esto pero añaden latencia. En un bucle AGC rápido, esa latencia podría ser importante. Consulta los diagramas de tiempos.
03
Las notas de solicitud de proveedor están escritas por personas que desean venderle piezas.
Muestran el tablero dorado, el diseño perfecto, las condiciones ideales. Su kilometraje variará. Lea la nota de la aplicación para conocer los conceptos y luego verifique con sus propias medidas.
04
Las piezas que realmente uso
Estos no son respaldos-No tengo ninguna relación financiera con ningún fabricante-solo observaciones de las versiones que se enviaron.
ParaDSA por debajo de 6 GHz: pSemi PE43711 (31,5 dB, pasos de 0,25 dB, resistente a fallas-) o el PE4312 más económico (31,5 dB, pasos de 0,5 dB). Ambos funcionan. Ambos tienen peculiaridades. Ambos tienen suficiente historial de mercado como para que se conozca la errata.
Paraatenuación continua (VVA): La serie Mini-ZX76 cuando el presupuesto lo permite. Skyworks SKY12347 cuando no es así. Ninguno de los dos es perfecto en términos de temperatura. Planifique en consecuencia.
Parahigh frequency (>20GHz): Honestamente, llamo al fabricante y tengo una conversación. Tanto Analog Devices como Qorvo tienen piezas, la selección es escasa y la elección "correcta" depende en gran medida de sus requisitos específicos. Esto no es electrónica de consumo-en ondas milimétricas, todo es personalizado.
Paratelecomunicaciones ópticas: DiCon y Agiltron han sido fiables. JDS Uniphase (ahora Viavi) fabrica buenos productos, pero las líneas de productos se han fragmentado a través de varias adquisiciones. Verifique quién realmente da servicio a la pieza ahora antes de comprometerse.
Modos de falla de los que nadie habla
ESD mata los atenuadores de semiconductores. Esto no es noticia. Lo que menos se discute: el fracaso puede ser sutil. He visto piezas que todavía "funcionan" después de un evento de ESD pero que han degradado la linealidad o han cambiado la calibración de atenuación. Si su sistema falla repentinamente en las pruebas de EMC seis meses después de comenzar la producción y no ha cambiado nada, revise el atenuador. Especialmente si su casa de montaje cambió los procedimientos de manipulación.
Los diodos PIN fallan suavemente-desviaciones de atenuación, la distorsión aumenta-pero rara vez mueren repentinamente. Los conmutadores FET en los DSA fallan con fuerza. Un interruptor genera un cortocircuito, su atenuación es incorrecta en 4 dB y, a menos que esté monitoreando eso, el sistema simplemente se comporta mal misteriosamente.
Las fallas de MEMS tienden a ser fallas "atascadas". El interruptor deja de funcionar. Dependiendo de la posición en la que se quede, obtendrás un canal inactivo o una ruta permanente-. Los equipos de prueba con atenuadores MEMS deben probarse periódicamente; Los interruptores que permanecen en una posición durante meses pueden desarrollar "fricción".
Lo que aún no sé
No he trabajado seriamente conbasado en ferrita-atenuadores variables. La teoría es genial-absorción ajustada magnéticamente--pero las piezas que he visto son grandes, consumen mucha energía-(el electroimán necesita corriente) y se limitan a implementaciones de guías de ondas. Puede haber aplicaciones en las que sean ideales. No me he encontrado con ninguno personalmente.
Basado en grafeno-Los atenuadores existen en la literatura académica. Supuestamente, la sintonizabilidad proviene de variar el nivel de Fermi y, por tanto, la conductividad. Creeré que está-listo para producción cuando Digi-Key lo tenga en stock.
También hay trabajo enfase-cambio de materialespara conmutación y atenuación de RF. La idea es que ciertos materiales puedan alternarse entre estados amorfos y cristalinos mediante pulsos térmicos, con propiedades de RF dramáticamente diferentes en cada estado. Los primeros días.
Así que ese es el panorama tal como lo veo: diodos PIN para control analógico, DSA para precisión digital, MEMS para cuando se necesitan las mejores especificaciones, mecánicos para calibración y metrología, ópticos para sistemas de fibra. Cada uno tiene compromisos. Ninguno es universal. Los mejores ingenieros que conozco eligen la tecnología basándose en lo que pueden tolerar fallas, no solo en lo que funciona mejor el primer día.
Si tomas una cosa de esto: prueba sobre temperatura. Pruebe en las esquinas del rango de atenuación. Pruebe en las frecuencias que realmente le interesan, no solo donde la hoja de datos se ve más bonita. La parte que funciona perfectamente a 25 grados y 1 GHz puede traicionarte a -20 grados y 5,8 GHz.
Pregúntame cómo lo sé.
