Variabele verzwakker: soorten en toepassingen

A variabele verzwakkeris een passieve of actieve RF/microgolfcomponent die is ontworpen om de signaalamplitude met een regelbare hoeveelheid te verminderen, terwijl een aanvaardbare impedantie-match over de gehele bandbreedte behouden blijft. In tegenstelling tot vaste verzwakkers, die een enkel vooraf bepaald invoegverlies opleveren, maken variabele verzwakkers aanpassing -continu of discreet- van verzwakkingsniveaus mogelijk, variërend van bijna- nul tot 30 dB of hoger, afhankelijk van de topologie en toepassingsvereisten. Het apparaat vindt kritische toepassing in automatische versterkingsregellussen, vermogensregeling van zenders, uitbreiding van het dynamische bereik van ontvangers en testinstrumenten waarbij nauwkeurige manipulatie van het signaalniveau essentieel is.

Ik zal eerlijk zijn: de eerste variabele verzwakker die ik in een ontwerp specificeerde, was een ramp. Niet omdat het onderdeel slecht was-de datasheet zag er perfect uit. 0.5 dB-stappen, bereik van 31,5 dB, DC tot 4 GHz. Wat de datasheet niet benadrukte, was de variatie in invoegverlies bij verschillende temperaturen. We waren een buitenunit aan het bouwen voor een draadloos backhaulsysteem. De zomertesten zijn prima verlopen. In januari in Minnesota was het ding 1,8 dB uitgeschakeld bij maximale demping. De AGC-lus werd gek toen hij probeerde dit te compenseren.

De les kostte ons een board-spin en zes weken. Nu controleer ik drie dingen voordat ik zelfs maar naar het dempingsbereik kijk:

Invoegverlies bij minimale verzwakkingstoestand. Dit is uw basisboete-die u voortdurend betaalt.

Invoegverliesdelta over het volledige temperatuurbereik. Meestal begraven op pagina 14 van de datasheet.

VSWR opalleverzwakkingsstatussen, niet alleen degene die ze -uitkozen voor de voorpagina.

Al het andere is secundair.

De meeste RF-ingenieurs grijpen eerst naar PIN-diodeverzwakkers, en met goede reden. De fysica is elegant: injecteer stroom in het intrinsieke gebied, de geleidbaarheid neemt toe, de RF-weerstand neemt af. Keer de bias om en je krijgt een hoge impedantie. Plaats een paar hiervan in een pi- of tee-netwerk met de juiste afstemming, en je hebt een continu variabele verzwakking die wordt geregeld door een gelijkspanning of -stroom.

Het frequentiebereik is werkelijk indrukwekkend. DC tot 40 GHz is haalbaar met een goed ontwerp. Sommige gespecialiseerde onderdelen gaan verder dan 50 GHz. De Skyworks SKY12347-362LF, die ik in waarschijnlijk een tiental ontwerpen heb gebruikt, beslaat DC tot 6 GHz met een bereik van ongeveer 32 dB. Stevig onderdeel. Niet spannend, maar solide.

Dit is wat ze u niet vertellen in de toepassingsopmerkingen: PIN-diodes hebben een geheugeneffect bij lage frequenties. Beneden ongeveer 10 MHz verdwijnt de opgeslagen lading in het intrinsieke gebied niet snel genoeg tussen RF-cycli, en wordt uw verzwakking signaalniveau-afhankelijk. Ik heb een vervorming van de derde-orde met 15 dB zien stijgen in een ontwerp dat 1 MHz tot 2 GHz moest verwerken. De oplossing was het toevoegen van een hoog-doorlaatfilter aan de ingang-waar de systeemarchitect niet blij mee was.

Temperatuurcoëfficiënt is het andere probleem. Stroom-gecontroleerde PIN-verzwakkers drijven af omdat de weerstand-vs-stroomcurve van de diode verschuift met de temperatuur. Spannings-versies zijn iets beter, maar niet immuun. Budget 0,02-0,05 dB/graad voor planningsdoeleinden. Bij een precisiemetingstoepassing is dat niet te verwaarlozen.

Variable Attenuator

Heel ander dier. DSA's schakelen tussen vaste verzwakkersegmenten met behulp van FET- of MEMS-schakelaars. U verzendt een parallel of serieel digitaal woord, en het onderdeel selecteert welke combinatie van resistieve pads zich in het signaalpad bevindt.

Het goede: de herhaalbaarheid is uitzonderlijk. Staat 01101 geeft u vandaag, morgen en volgend jaar dezelfde demping. Monotoniciteit wordt gegarandeerd door het ontwerp-elke bit voegt de gespecificeerde stapgrootte toe. De schakelsnelheid varieert van nanoseconden (GaAs FET) tot microseconden (MEMS), snel genoeg voor TDMA burst-vermogensregeling.

Het slechte: je zit vast aan discrete stappen. Een 6-bit DSA geeft je een resolutie van 0,5 dB, wat prima klinkt totdat je 7,3 dB nodig hebt en moet kiezen tussen 7,0 en 7,5. In een AGC-lus creëert deze kwantisering limietcycli. De lus jaagt voor altijd tussen twee staten en komt nooit tot rust. Ik heb dit "opgelost" door een analoge VVA met een klein-bereik toe te voegen na de DSA-crude, maar het werkt.

Het lelijke: Glitches tijdens bitovergangen. Wanneer een DSA overschakelt van 01111 (15,5 dB) naar 10000 (16 dB), is er een moment-misschien 5 ns, misschien 50 ns-waar de interne schakelaars zich tussen toestanden bevinden en de verzwakking ergens ongedefinieerd gaat. Meestal lager dan beide eindpunten, wat betekent dat een stroompiek uw stroomafwaartse versterker raakt. PE43711 van pSemi gaat hier beter mee om dan de meeste andere met een 'glitch-minder' architectuur, maar het is geen magie. Er is nog steeds voorbijgaande energie.

Een 6-bits verzwakker met 0,5 dB LSB geeft een bereik van 31,5 dB. Vrij standaard.

Waarom bestaan er dan 7-bit-delen? Twee redenen. Ten eerste een fijnere resolutie: met stappen van 0,25 dB kunt u de systeemversterking nauwkeuriger trimmen. Ten tweede-en dit is minder voor de hand liggend-kan het extra bit worden gebruikt voor redundantie. Sommige fabrikanten laten je kiezen tussen het gebruik van alle 7 bits voor stappen van 0,25 dB of het gebruik van 6 bits voor stappen van 0,5 dB, waarbij de 7e bit een "fijne trim" is die de hele curve compenseert. Handig om de variatie-van onderdeel in de productie te compenseren.

Peregrine (nu pSemi) was een pionier op het gebied van het UltraCMOS-proces dat hoogwaardige silicium-DSA's levensvatbaar maakte. Als je daarvoor serieuze bandbreedte wilde, kocht je GaAs, wat $$$ en 5V-voedingen betekende. De PE4312 en zijn nakomelingen brachten 50-ohm DSA's naar 3,3V CMOS-land. Veranderde de economie van veel ontwerpen.

Micro-elektromechanische systemen beloofden een revolutie teweeg te brengen in de RF-verzwakking. Kleine fysieke schakelaars, in wezen perfect als ze gesloten zijn, in wezen open als ze open zijn. Geen halfgeleiderparasieten. Ohms contact.

De theorie houdt stand. MEMS-verzwakkers bereiken invoegverlies en lineariteit waar silicium niet aan kan tippen. De ADRF5720 van Analog Devices werkt op 40 GHz met een tussenvoegingsverlies van ongeveer 1,5 dB. Probeer dat eens met een FET-schakelaar.

Maar-en dit is een grote, maar-betrouwbaarheid blijft controversieel. MEMS-schakelaars bewegen fysiek. Bewegende delen verslijten. Fabrikanten claimen miljarden cycli, en in goedaardige laboratoriumomstandigheden krijgen ze die waarschijnlijk ook. In een toepassing met thermische cycli, vochtigheid, trillingen? Ik ben sceptisch. Ik heb precies één MEMS-verzwakker gezien in een productieontwerp waaraan ik heb gewerkt, en dat was in een testinstrument waarbij de schakelsnelheid misschien een paar keer per seconde was. Voor een mobiel basisstation dat duizenden stroomaanpassingen per seconde uitvoert... vraag het me over vijf jaar nog eens.

Er is ook het verpakkingsprobleem. MEMS-apparaten hebben een hermetische afdichting nodig, anders komt er vochtige lucht binnen en gaat alles corroderen of blijven plakken. Hermetische pakketten kosten geld. Het hele waardevoorstel begint te wankelen als je "MEMS-dobbelsteen van $ 15" wordt geleverd in een "hermetisch pakket van $ 8" met "montagekosten van $ 12".

Variable Attenuator

Ga naar een willekeurig RF-testlaboratorium en u zult draaischuifverzwakkers vinden in de kalibratiereeks. Deze golfgeleiderbeesten-die een resistieve kaart fysiek roteren om te veranderen hoeveel signaal deze onderschept-bieden precisie die elektronische verzwakkers moeilijk kunnen evenaren.

Weinschel 953-serie. Hewlett-Packard 355C/D (ja, HP, niet Agilent of Keysight-deze dingen zijn zo oud en werken nog steeds). Flann Microwave's precisiegolfgeleidereenheden. Ze zijn zwaar, langzaam, duur en absoluut betrouwbaar. Als je een referentie van 40 dB nodig hebt die nauwkeurig is tot ±0,1 dB van 18 tot 26,5 GHz, dan heb je geen halfgeleider nodig.

Voor gebruik op de bank blijven de handmatige stappendempers met klik-stopknoppen vreemd relevant. Een oude Kay 1/839 kan voor $ 50 op eBay worden gekocht en biedt stappen van 1 dB naar 79 dB met betere afstemming dan de meeste geïntegreerde DSA's. De verbindingen zorgen voor verlies dat je moet kalibreren, maar voor snelle experimenten zijn ze perfect.

Ik bewaar een JFW 50R-142 in mijn bureaula. Vaste 50 ohm coaxiaal, nominaal DC-2 GHz, stappen van 0 tot 110 dB in stappen van 1 dB. De schakelaars zijn echte precisieweerstandsnetwerken, geen halfgeleiders. Hij is gebouwd als een tank en zal mij overleven.

Andere wereld. In vezelsystemen wordt de verzwakking beheerd via de optische laag, en de mechanismen zijn fascinerend.

MEMS-gebaseerde VOA'sgebruik een kantelspiegel. Licht komt binnen via de ingangsvezel, raakt de spiegel en reflecteert naar de uitgangsvezel. Kantel de spiegel een beetje en er mist wat licht de uitgangskern. Kantel je hem nog meer, dan mist er meer licht. Analoge besturing, redelijke snelheid, uitstekende herhaalbaarheid. De DiCon MEMS VOA was tien jaar lang in wezen de industriestandaard.

Vloeibare kristallen VOA'spolarisatie uitbuiten. Vloeibaar kristal roteert de polarisatietoestand van passerend licht; een polarisator verzwakt vervolgens op basis van de rotatiehoek. Geen enkel bewegend onderdeel. Langzamer dan MEMS, maar mechanisch kogelvrij.

Er is ookBragg-rooster met variabele vezelsbenadert enelektronisch-gecontroleerde absorptiein speciale vezels, maar dit is een nichemarkt. De meeste telecom-VOA's die u tegenkomt zijn MEMS of LC.

Invoegverlies is hier van groot belang, omdat u zich vaak in een keten van versterkte overspanningen bevindt. Elke 0,5 dB die je verspilt in de VOA is 0,5 dB OSNR die je nooit meer terugkrijgt. De goede MEMS VOA's bereiken IL onder 0,8 dB; goedkope exemplaren halen 1,5 dB of erger.

Een paar dingen die ik wou dat iemand mij eerder had verteld:

Het afstemmen van verzwakkers op de systeemimpedantie is niet optioneel.

Ja, uw DSA heeft een "nominaal vermogen van 50 ohm". Maar als de transmissielijnen van je bord feitelijk 52 ohm zijn omdat je stack-up buiten het-doel kwam, zie je een rimpeling in S21 over de frequentie heen, waardoor je gek wordt tijdens de karakterisering. Dit is niet de schuld van de verzwakker.

De specificaties voor belastbaarheid gaan uit van een perfecte heatsinking.

De "1W max input"-waarde werd gemeten terwijl het evaluatiebord op een aluminium blok was vastgeschroefd. Op uw werkelijke PCB met 1 oz koper en geen thermische via's? U bent waarschijnlijk veilig voor 0,4 W. Misschien.

De bedieningsinterface is belangrijker dan u denkt.

Een parallelle-interface-DSA heeft 6-7 GPIO's nodig. Als uw microcontroller GPIO-beperkt is, voegt u nu een schuifregister of I²C-expander toe. Seriële interface-DSA's vermijden dit, maar voegen latentie toe. In een snelle AGC-lus kan die latentie ertoe doen. Controleer de timingdiagrammen.

Aantekeningen bij de leveranciersaanvraag zijn geschreven door mensen die u onderdelen willen verkopen.

Ze tonen het gouden bord, de perfecte indeling, de ideale omstandigheden. Uw kilometerstand zal variëren. Lees de app-notitie voor concepten en verifieer vervolgens met uw eigen metingen.

Dit zijn geen aanbevelingen-Ik heb geen financiële relatie met welke fabrikant dan ook-slechts observatie van builds die zijn verzonden.

VoorDSA's onder 6 GHz: pSemi PE43711 (31,5 dB, stappen van 0,25 dB, glitch-bestendig) of de goedkopere PE4312 (31,5 dB, stappen van 0,5 dB). Beide werken. Beide hebben eigenaardigheden. Beiden hebben voldoende marktgeschiedenis dat de errata bekend is.

Voorcontinue demping (VVA's): De Mini-Circuits ZX76-serie als het budget het toelaat. Skyworks SKY12347 als dat niet het geval is. Geen van beide is perfect op temperatuur. Plan dienovereenkomstig.

Voorhigh frequency (>20 GHz): Eerlijk gezegd bel ik de fabrikant en heb een gesprek. Analog Devices en Qorvo hebben beide onderdelen, de selectie is schaars en de "juiste" keuze hangt sterk af van uw specifieke vereisten. Dit is geen consumentenelektronica-op de millimetergolf, alles is maatwerk.

Vooroptische telecom: DiCon en Agiltron zijn betrouwbaar geweest. JDS Uniphase (nu Viavi) maakt goede dingen, maar de productlijnen zijn door verschillende overnames gefragmenteerd. Controleer nu wie het onderdeel daadwerkelijk onderhoudt voordat u zich vastlegt.

ESD doodt halfgeleiderverzwakkers. Dit is geen nieuws. Wat minder besproken wordt: de mislukking kan subtiel zijn. Ik heb onderdelen gezien die nog steeds "werken" na een ESD-gebeurtenis, maar waarvan de lineariteit is verslechterd of de verzwakkingskalibratie is verschoven. Als uw systeem na zes maanden in productie plotseling de EMC-test niet doorstaat en u niets hebt veranderd, controleer dan de verzwakker. Vooral als uw montagehuis de verwerkingsprocedures heeft gewijzigd.

PIN-diodes falen gracieus-de verzwakking neemt af, de vervorming neemt toe-maar ze vallen zelden plotseling uit. FET-switches in DSA's falen hard. Eén schakelaar maakt kortsluiting en je demping is 4 dB verkeerd, en tenzij je daarop let, gedraagt het systeem zich gewoon op mysterieuze wijze.

MEMS-storingen zijn vaak ‘vastzittende’ storingen. De schakelaar stopt met schakelen. Afhankelijk van in welke positie het blijft hangen, krijg je een dood kanaal of een permanent-pad. Testapparatuur met MEMS-dempers moeten regelmatig worden getest; schakelaars die maandenlang in dezelfde positie blijven staan, kunnen ‘stictie’ ontwikkelen.

Ik heb er niet serieus mee gewerktferriet-gebaseerdvariabele verzwakkers. De theorie is cool-magnetisch-afgestemde absorptie-maar de onderdelen die ik heb gezien zijn groot, macht-hongerig (de elektromagneet heeft stroom nodig) en zijn beperkt tot golfgeleiderimplementaties. Er kunnen toepassingen zijn waarbij ze ideaal zijn. Ik ben er persoonlijk nog geen tegengekomen.

Grafeen-gebaseerdEr bestaan verzwakkers in de academische literatuur. Vermoedelijk komt de afstembaarheid voort uit het variëren van het Fermi-niveau en dus de geleidbaarheid. Ik geloof dat het productie-klaar is als Digi-Key het op voorraad heeft.

Er is ook werk aanfase-materialen veranderenvoor RF-schakeling en verzwakking. Het idee is dat bepaalde materialen kunnen worden omgeschakeld tussen amorfe en kristallijne toestanden met behulp van thermische pulsen, met dramatisch verschillende RF-eigenschappen in elke toestand. Vroege dagen.

Dus dat is het landschap zoals ik het zie: PIN-diodes voor analoge besturing, DSA's voor digitale precisie, MEMS voor wanneer je absoluut de beste specificaties nodig hebt, mechanisch voor kalibratie en metrologie, optisch voor glasvezelsystemen. Elk heeft compromissen. Geen enkele is universeel. De beste ingenieurs die ik ken, kiezen de technologie op basis van wat ze kunnen tolereren als ze falen, en niet alleen op basis van wat op de eerste dag het beste werkt.

Als je hier één ding uit kunt opmaken: test de temperatuur. Test op de hoeken van het dempingsbereik. Test op de frequenties die u echt interesseren, niet alleen waar de datasheet er het mooist uitziet. Het onderdeel dat perfect werkt op 25 graden en 1 GHz kan je verraden op -20 graden en 5,8 GHz.

Vraag me hoe ik dat weet.