Atténuateur variable : types et utilisations

A atténuateur variableest un composant RF/micro-ondes passif ou actif conçu pour réduire l'amplitude du signal d'une quantité contrôlable tout en maintenant une adaptation d'impédance acceptable sur sa bande passante de fonctionnement. Contrairement aux atténuateurs fixes, qui fournissent une seule perte d'insertion prédéterminée, les atténuateurs variables permettent un ajustement-continu ou discret-des niveaux d'atténuation allant généralement de près de-zéro à 30 dB ou plus, en fonction de la topologie et des exigences de l'application. Le dispositif trouve une application critique dans les boucles de contrôle automatique du gain, la régulation de la puissance de l'émetteur, l'extension de la plage dynamique du récepteur et l'instrumentation de test où une manipulation précise du niveau du signal est essentielle.

Je vais être honnête : le premier atténuateur variable que j'ai intégré à une conception a été un désastre. Ce n'est pas parce que la pièce était mauvaise-la fiche technique avait l'air parfaite. 0.5 pas de dB, plage de 31,5 dB, DC à 4 GHz. Ce que la fiche technique n'a pas souligné, c'est la variation de la perte d'insertion en fonction de la température. Nous construisions une unité extérieure pour un système de liaison sans fil. Les tests d'été se sont bien déroulés. En janvier, au Minnesota, le problème était de 1,8 dB à l'atténuation maximale. La boucle AGC est devenue folle en essayant de compenser.

La leçon nous a coûté un tour de planche et six semaines. Maintenant, je vérifie trois choses avant même de regarder la plage d'atténuation :

Perte d'insertion à l'état d'atténuation minimum. Il s'agit de votre pénalité de base -vous la payez tout le temps.

Delta de perte d’insertion sur toute la plage de température. Enterré à la page 14 de la fiche technique, généralement.

VSWR àtousÉtats d'atténuation, pas seulement celui qu'ils ont choisi-pour la première page.

Tout le reste est secondaire.

La plupart des ingénieurs RF optent d'abord pour les atténuateurs à diode PIN, et pour cause. La physique est élégante : injectez du courant dans la région intrinsèque, la conductivité augmente, la résistance RF diminue. Inversez la polarisation et vous obtenez une haute impédance. Enchaînez-en quelques-uns dans un réseau pi ou tee avec une correspondance appropriée, et vous obtenez une atténuation variable en continu contrôlée par une tension ou un courant continu.

La gamme de fréquences est vraiment impressionnante. Un courant continu jusqu'à 40 GHz est réalisable avec une bonne conception. Certaines pièces spécialisées dépassent les 50 GHz. Le Skyworks SKY12347-362LF, que j'ai utilisé dans probablement une douzaine de conceptions, couvre le courant continu jusqu'à 6 GHz avec une portée d'environ 32 dB. Pièce solide. Pas passionnant, mais solide.

Voici ce qu'ils ne vous disent pas dans les notes d'application : les diodes PIN ont un effet mémoire aux basses fréquences. En dessous d'environ 10 MHz, la charge stockée dans la région intrinsèque ne s'efface pas assez rapidement entre les cycles RF et votre atténuation devient dépendante du niveau du signal-. J'ai vu une distorsion du troisième-ordre augmenter de 15 dB dans une conception censée gérer 1 MHz à 2 GHz. Le correctif consistait à ajouter un-filtre passe-haut à l'entrée-dont l'architecte système n'était pas satisfait.

Le coefficient de température est l’autre piège. Les atténuateurs PIN contrôlés par le courant-dérivent car la courbe de résistance-par rapport au-courant de la diode se déplace avec la température. Les versions contrôlées en tension-sont légèrement meilleures mais ne sont pas à l'abri. Budget 0,02-0,05 dB/degré à des fins de planification. Dans une application de mesure de précision, ce n'est pas négligeable.

Variable Attenuator

Animal complètement différent. Les DSA commutent entre les segments d'atténuateur fixes à l'aide de commutateurs FET ou MEMS. Vous envoyez un mot numérique parallèle ou série et la partie sélectionne quelle combinaison de plots résistifs se trouve dans le chemin du signal.

Le bon : la répétabilité est exceptionnelle. L'état 01101 vous donne la même atténuation aujourd'hui, demain et l'année prochaine. La monotonie est garantie par la conception-chaque bit ajoute son incrément spécifié. La vitesse de commutation varie de la nanoseconde (GaAs FET) à la microseconde (MEMS), suffisamment rapide pour le contrôle de la puissance en rafale TDMA.

Le mauvais : vous êtes coincé avec des étapes discrètes. Un DSA 6-bits vous offre une résolution de 0,5 dB, ce qui semble correct jusqu'à ce que vous ayez besoin de 7,3 dB et que vous deviez choisir entre 7,0 et 7,5. Dans une boucle AGC, cette quantification crée des cycles limites. La boucle chasse éternellement entre deux États, sans jamais s’arrêter. J'ai "résolu" ce problème en ajoutant un VVA analogique à petite plage-après le brut DSA, mais cela fonctionne.

Le laid : des problèmes lors des transitions de bits. Lorsqu'un DSA passe de 01111 (15,5 dB) à 10 000 (16 dB), il y a un moment-peut-être 5 ns, peut-être 50 ns-où les commutateurs internes se situent entre les états et l'atténuation va quelque part indéfini. Généralement inférieur à l'un ou l'autre point final, ce qui signifie qu'un pic de puissance frappe votre amplificateur en aval. Le PE43711 de pSemi gère cela mieux que la plupart des autres avec une architecture « sans problème -, mais ce n'est pas magique. Il y a encore de l'énergie transitoire.

Un atténuateur 6 bits avec 0,5 dB LSB donne une plage de 31,5 dB. Assez standard.

Alors pourquoi les parties de 7-bits existent-elles ? Deux raisons. Premièrement, une résolution plus fine : des pas de 0,25 dB vous permettent de régler le gain du système avec plus de précision. Deuxièmement-et c'est moins évident-le bit supplémentaire peut être utilisé pour la redondance. Certains fabricants vous permettent de choisir entre utiliser les 7 bits pour des pas de 0,25 dB ou utiliser 6 bits pour des pas de 0,5 dB avec le 7ème bit comme « ajustement fin » qui compense toute la courbe. Pratique pour compenser les variations d'une pièce à l'autre dans la production.

Peregrine (maintenant pSemi) a été le pionnier du processus UltraCMOS qui a rendu viables les DSA en silicium hautes-performances. Avant cela, si vous vouliez une bande passante importante, vous achetiez du GaAs, ce qui signifiait $$$ et des fournitures 5V. Le PE4312 et ses descendants ont amené les DSA de 50 ohms au monde CMOS de 3,3 V. Changé l’économie de beaucoup de conceptions.

Les systèmes microélectromécaniques promettaient de révolutionner l'atténuation RF. De minuscules interrupteurs physiques, essentiellement parfaits lorsqu'ils sont fermés, essentiellement ouverts lorsqu'ils sont ouverts. Aucun parasite des semi-conducteurs. Contact ohmique.

La théorie tient la route. Les atténuateurs MEMS atteignent une perte d'insertion et une linéarité que le silicium ne peut pas atteindre. L'ADRF5720 d'Analog Devices fonctionne à 40 GHz avec une perte d'insertion d'environ 1,5 dB. Essayez cela avec un commutateur FET.

Mais-et c'est un problème important, mais-la fiabilité reste controversée. Les commutateurs MEMS se déplacent physiquement. Les pièces mobiles s'usent. Les fabricants revendiquent des milliards de cycles, et ils les obtiennent probablement dans des conditions de laboratoire bénignes. Dans une application avec cyclage thermique, humidité, vibration ? Je suis sceptique. J'ai vu exactement un atténuateur MEMS dans une conception de production sur laquelle j'ai travaillé, et c'était dans un instrument de test où le taux de commutation était peut-être de quelques fois par seconde. Pour une station de base cellulaire effectuant des milliers de réglages de puissance par seconde... demandez-moi à nouveau dans cinq ans.

Il y a aussi le problème de l'emballage. Les appareils MEMS nécessitent une fermeture hermétique, sinon l'air humide pénètre et les objets se corrodent ou collent. Les emballages hermétiques coûtent de l'argent. Toute la proposition de valeur commence à vaciller lorsque votre « puce MEMS à 15 $ » est livrée dans un « emballage hermétique à 8 $ » avec un « coût d'assemblage de 12 $ ».

Variable Attenuator

Rendez-vous dans n'importe quel laboratoire de test RF et vous trouverez des atténuateurs à palettes rotatives dans la gamme d'étalonnage. Ces bêtes à guide d'ondes-font tourner physiquement une carte résistive pour modifier la quantité de signal qu'elle intercepte-offrent une précision que les atténuateurs électroniques ont du mal à égaler.

Série Weinschel 953. Hewlett-Packard 355C/D (oui, HP, pas Agilent ou Keysight-ces choses sont si vieilles et fonctionnent toujours). Unités de guide d'ondes de précision de Flann Microwave. Ils sont lourds, lents, coûteux et absolument dignes de confiance. Lorsque vous avez besoin d'une référence de 40 dB précise à ±0,1 dB de 18 à 26,5 GHz, vous n'utilisez pas de semi-conducteur.

Pour une utilisation en banc, les atténuateurs manuels avec boutons d'arrêt-sont étrangement pertinents. Un vieux Kay 1/839 peut être acheté pour 50 $ sur eBay et offre des pas de 1 dB à 79 dB avec une meilleure correspondance que la plupart des DSA intégrés. Les interconnexions ajoutent des pertes dont vous aurez besoin pour calibrer, mais pour des expériences rapides, elles sont parfaites.

Je garde un JFW 50R-142 dans le tiroir de mon bureau. Coaxial fixe de 50 ohms, évalué à DC-2 GHz, par pas de 0 à 110 dB par incréments de 1 dB. Les commutateurs sont de véritables réseaux de résistances de précision, et non des semi-conducteurs. Il est construit comme un tank et me survivra.

Monde différent. Dans les systèmes à fibre optique, l’atténuation est gérée au niveau de la couche optique et les mécanismes sont fascinants.

VOA basés sur MEMS-utilisez un miroir inclinable. La lumière provient de la fibre d’entrée, frappe le miroir et se reflète vers la fibre de sortie. Inclinez un peu le miroir et un peu de lumière manque le noyau de sortie. Inclinez-le davantage, plus de lumière manque. Contrôle analogique, vitesse raisonnable, excellente répétabilité. Le DiCon MEMS VOA était essentiellement la norme de l’industrie pendant une décennie.

VOA à cristaux liquidesexploiter la polarisation. Les cristaux liquides font tourner l'état de polarisation de la lumière qui passe ; un polariseur atténue ensuite en fonction de l'angle de rotation. Aucune pièce mobile. Plus lent que le MEMS, mais mécaniquement à l’épreuve des balles.

Il y a aussiRéseau de Bragg à fibres variablesapproches etabsorption contrôlée électroniquement-dans les fibres spécialisées, mais celles-ci sont de niche. La plupart des VOA télécoms que vous rencontrerez sont des MEMS ou des LC.

La perte d'insertion est extrêmement importante ici car vous êtes souvent dans une chaîne de plages amplifiées. Chaque 0,5 dB que vous gaspillez dans le VOA équivaut à 0,5 dB d'OSNR que vous ne récupérerez jamais. Les bons VOA MEMS atteignent un IL inférieur à 0,8 dB ; les moins chers atteignent 1,5 dB ou pire.

Quelques choses que j'aurais aimé que quelqu'un me dise plus tôt :

L'adaptation des atténuateurs à l'impédance du système n'est pas facultative.

Oui, votre DSA est « évalué à 50 ohms ». Mais si les lignes de transmission de votre carte sont en réalité de 52 ohms parce que votre stackup est hors de la cible-, vous verrez une ondulation dans S21 sur toute la fréquence qui vous rendra fou pendant la caractérisation. Ce n'est pas la faute de l'atténuateur.

Les spécifications de gestion de la puissance supposent une dissipation thermique parfaite.

La valeur nominale « 1 W d'entrée max » a été mesurée avec la carte d'évaluation boulonnée à un bloc en aluminium. Sur votre PCB actuel avec 1 once de cuivre et sans vias thermiques ? Vous êtes probablement en sécurité avec 0,4 W. Peut être.

L’interface de contrôle compte plus que vous ne le pensez.

Un DSA à-interface parallèle nécessite 6-7 GPIO. Si votre microcontrôleur est contraint par GPIO-, vous ajoutez maintenant un registre à décalage ou un expanseur I²C. Les DSA à interface série évitent cela mais ajoutent de la latence. Dans une boucle AGC rapide, cette latence peut être importante. Vérifiez les chronogrammes.

Les notes d'application des fournisseurs sont rédigées par des personnes qui souhaitent vous vendre des pièces.

Ils montrent le tableau doré, le tracé parfait, les conditions idéales. Votre kilométrage variera. Lisez la note d'application pour connaître les concepts, puis vérifiez avec vos propres mesures.

Il ne s'agit pas d'approbations-Je n'ai aucune relation financière avec un fabricant-juste une observation des versions livrées.

PourDSA inférieurs à 6 GHz: pSemi PE43711 (31,5 dB, pas de 0,25 dB, résistant aux glitch-) ou le PE4312 moins cher (31,5 dB, pas de 0,5 dB). Les deux fonctionnent. Les deux ont des bizarreries. Les deux ont suffisamment d’historique de marché pour que les errata soient connus.

Pouratténuation continue (VVA) : La série Mini-Circuits ZX76 lorsque le budget le permet. Skyworks SKY12347 quand ce n'est pas le cas. Ni l’un ni l’autre n’est parfait en termes de température. Planifiez en conséquence.

Pourhigh frequency (>20 GHz): Honnêtement, j'appelle le fabricant et j'ai une conversation. Analog Devices et Qorvo ont tous deux des pièces détachées, la sélection est rare et le « bon » choix dépend fortement de vos besoins spécifiques. Ce n'est pas de l'électronique grand public-à ondes millimétriques, tout est personnalisé.

Pourtélécommunication optique: DiCon et Agiltron ont été fiables. JDS Uniphase (maintenant Viavi) fabrique de bonnes choses, mais les gammes de produits se sont fragmentées suite à diverses acquisitions. Vérifiez qui entretient réellement la pièce maintenant avant de vous engager.

L'ESD tue les atténuateurs à semi-conducteurs. Ce n'est pas une nouvelle. Ce dont on parle moins : l’échec peut être subtil. J'ai vu des pièces qui "fonctionnent" encore après un événement ESD mais dont la linéarité est dégradée ou l'étalonnage d'atténuation décalé. Si votre système échoue soudainement aux tests CEM six mois après le début de la production et que vous n'avez rien changé, vérifiez l'atténuateur. Surtout si votre maison de montage a modifié ses procédures de manipulation.

Les diodes PIN échouent gracieusement -dérives d'atténuation, distorsion augmente-mais elles meurent rarement soudainement. Les commutateurs FET dans les DSA échouent gravement. Un commutateur court, votre atténuation est erronée de 4 dB, et à moins que vous ne surveilliez cela, le système se comporte mal mystérieusement.

Les échecs MEMS ont tendance à être des échecs « bloqués ». L'interrupteur arrête de commuter. Selon la position dans laquelle il se trouve, vous obtenez soit un canal mort, soit un chemin-actif en permanence. Les équipements de test dotés d'atténuateurs MEMS doivent être exercés régulièrement ; les interrupteurs qui restent dans la même position pendant des mois peuvent développer une « adhérence ».

Je n'ai pas travaillé sérieusement avecà base de ferrite-atténuateurs variables. La théorie est une absorption cool-magnétiquement-accordée-mais les pièces que j'ai vues sont grosses, gourmandes en énergie-(l'électro-aimant a besoin de courant) et limitées aux implémentations de guides d'ondes. Il peut y avoir des applications où ils sont idéaux. Je n'en ai pas rencontré personnellement.

À base de graphène-des atténuateurs existent dans la littérature académique. On suppose que l'accordabilité vient de la variation du niveau de Fermi et donc de la conductivité. Je croirai qu'il sera prêt pour la production-lorsque Digi-Key le stockera.

Il y a aussi du travail surphase-matériaux de changementpour la commutation et l'atténuation RF. L’idée est que certains matériaux peuvent basculer entre les états amorphe et cristallin à l’aide d’impulsions thermiques, avec des propriétés RF radicalement différentes dans chaque état. Les premiers jours.

Voilà donc le paysage tel que je le vois : des diodes PIN pour le contrôle analogique, des DSA pour la précision numérique, des MEMS lorsque vous avez besoin des meilleures spécifications absolues, de la mécanique pour l'étalonnage et la métrologie, de l'optique pour les systèmes à fibre. Chacun a des compromis. Aucun n’est universel. Les meilleurs ingénieurs que je connais choisissent la technologie en fonction de ce qu’ils peuvent tolérer d’échec, et pas seulement de ce qui fonctionne le mieux dès le premier jour.

Si vous en retenez une chose : testez la température. Testez aux coins de la plage d’atténuation. Testez aux fréquences qui vous intéressent réellement, pas seulement là où la fiche technique est la plus jolie. La partie qui fonctionne parfaitement à 25 degrés et 1 GHz peut vous trahir à -20 degrés et 5,8 GHz.

Demandez-moi comment je le sais.