Ослабление выбирают так, чтобы следующий каскад получал нужный уровень сигнала, а аттенюатор выдерживал собственный нагрев. Эти две задачи связаны: чем меньше мощности проходит на выход, тем больше её превращается в тепло внутри аттенюатора. Поэтому одновременно рассчитывают выходную и рассеиваемую мощность, а затем проверяют оба устройства по паспортам.
Рассмотрим пример с несколькими номиналами ослабления. Под следующим каскадом будем понимать вход усилителя или другого устройства, которому требуется определённая мощность сигнала. Все исходные числа учебные и не относятся к конкретной модели.
Сначала определите допустимый уровень следующего каскада
В документации следующего устройства могут быть указаны предельная входная мощность, рекомендуемый рабочий уровень и уровень, при котором начинают заметно расти искажения. Это разные значения. Отсутствие повреждения ещё не означает, что каскад работает в нужном режиме.
Допустим, источник в обычном режиме выдаёт 100 Вт. Абсолютный предел входа следующего каскада — 1 Вт, но для выбранного режима требуется от 0,15 до 0,5 Вт. Верхнюю рабочую границу 0,5 Вт принимаем как условие задачи, а не как универсальный запас для любых устройств.
Нижняя граница тоже важна: чрезмерное ослабление может не позволить получить требуемую выходную мощность усилителя или нужную точность измерения. Поэтому выбор не сводится к поиску самого большого числа децибел.
Две формулы для одного расчёта
Для согласованного тракта с пассивным резистивным аттенюатором:
Рвых = Рвх × 10−А/10.
Ррасс = Рвх − Рвых.
Здесь Рвх — мощность на входе аттенюатора, Рвых — мощность, поступившая в следующий каскад, Ррасс — мощность, выделяемая в аттенюаторе в виде тепла, А — ослабление в децибелах. В примере считаем установившийся непрерывный сигнал, а все элементы тракта — согласованными на 50 Ом.
Если известны входная мощность и верхний рабочий уровень следующего каскада, минимальное ослабление находят так:
Атреб = 10 × lg(Рвх / Рдоп).
При 100 Вт на входе и допустимых 0,5 Вт на выходе получается около 23,01 дБ. Пока это только расчёт для номинальных значений, без разброса мощности и допуска самого аттенюатора.
Сравнение нескольких номиналов ослабления
Посчитаем, как распределятся 100 Вт между аттенюатором и следующим каскадом. В таблице пока не учитываем отклонение ослабления от номинала.
| Ослабление | На выходе Вт |
В аттенюаторе Вт |
Оценка для следующего каскада |
|---|---|---|---|
| 10 дБ | 10,000 | 90,000 | Превышен предел входа 1 Вт |
| 20 дБ | 1,000 | 99,000 | Ровно 1 Вт — выше рабочего уровня |
| 23 дБ | 0,501 | 99,499 | Немного выше рабочей границы 0,5 Вт |
| 24 дБ | 0,398 | 99,602 | В рабочем диапазоне по номиналу |
| 25 дБ | 0,316 | 99,684 | В рабочем диапазоне по номиналу |
| 30 дБ | 0,100 | 99,900 | Ниже требуемых 0,15 Вт |
При 20 дБ на выходе остаётся 1 Вт. Формально это равно абсолютному пределу входа, но для заданного рабочего режима слишком много. Даже небольшое отклонение источника или аттенюатора может привести к превышению предела.
Значение 23 дБ тоже нельзя округлять до «примерно подходящего»: расчёт даёт около 0,501 Вт, то есть чуть больше рабочей границы. Номиналы 24 и 25 дБ выглядят подходящими, а 30 дБ ослабляют сигнал сильнее, чем требуется.
Почему большее ослабление почти не уменьшает требования к теплоотводу
При переходе с 20 на 30 дБ мощность на следующем каскаде уменьшается в десять раз: с 1 до 0,1 Вт. Но нагрев аттенюатора при этом возрастает с 99 до 99,9 Вт. В обоих случаях он должен отводить почти всю входную мощность.
Именно поэтому аттенюатор на 30 дБ нельзя выбирать как маломощный только из-за небольшой мощности на выходе. Он стоит перед защищаемым входом и первым принимает полный сигнал источника.
Для номинала 25 дБ баланс выглядит так: 100 Вт на входе = примерно 99,684 Вт тепла + 0,316 Вт на следующем каскаде. Этот баланс полезно записывать для каждого рассматриваемого варианта.
Как учесть разброс мощности и допуск ослабления
Уточним условия: источник может выдавать от 80 до 120 Вт, а ослабление выбранного изделия отклоняется от номинала не более чем на 0,5 дБ во всей рабочей полосе и при нужной температуре. Такой допуск здесь задан условно; у реальной модели его берут из документации.
Самая большая мощность на следующем каскаде получится при максимальной мощности источника и минимальном фактическом ослаблении. Для номинала 24 дБ в расчёт нужно подставить 23,5 дБ:
Рвых max = 120 × 10−23,5/10 ≈ 0,536 Вт.
Это больше рабочих 0,5 Вт. Значит, 24 дБ не обеспечивают требуемый режим во всём заданном диапазоне, хотя по предыдущей таблице номинальных значений этот вариант подходил.
Для номинала 25 дБ минимальное ослабление равно 24,5 дБ:
Рвых max = 120 × 10−24,5/10 ≈ 0,426 Вт.
Теперь проверим нижний уровень. Он получится при мощности источника 80 Вт и максимальном ослаблении 25,5 дБ:
Рвых min = 80 × 10−25,5/10 ≈ 0,225 Вт.
Полученный диапазон от 0,225 до 0,426 Вт укладывается в требуемые 0,15–0,5 Вт. Номинал 25 дБ подходит по уровню сигнала при заданных допущениях. Возможность получить такое ослабление одним изделием или сборкой проверяют отдельно.
Как рассчитать наибольший нагрев
Для теплового расчёта неблагоприятно другое сочетание: максимальная входная мощность и максимальное ослабление. В этом случае меньше энергии уходит к нагрузке и больше остаётся в аттенюаторе.
Рвых = 120 × 10−25,5/10 ≈ 0,338 Вт.
Ррасс max = 120 − 0,338 ≈ 119,662 Вт.
Обратите внимание: выходные 0,426 Вт и тепловые 119,662 Вт относятся к разным крайним значениям допуска. Их нельзя складывать как части одного режима. Каждое число используют для своей проверки.
Если паспорт ограничивает входную мощность, сравнивают с ним все 120 Вт, а не только рассчитанное тепло. Если отдельно нормирована рассеиваемая мощность, проверяют и её. Устройство с пределом входной мощности 100 Вт для такого непрерывного режима не подходит.
Что проверить у выбранного аттенюатора
Допустимая мощность относится к определённым условиям работы. Перед выбором исполнения проверьте частотный диапазон, температуру, охлаждение, направление включения и допустимую мощность именно со стороны используемого входа.
При заметном рассогласовании простая разность входной и выходной мощностей уже не описывает весь баланс: нужно учитывать отражённые волны. Поэтому приведённые расчёты не подтверждают работу с оборванной линией, неподходящей нагрузкой или входом, сопротивление которого существенно меняется под сигналом.
Если нужное ослабление набирают двумя устройствами
В согласованном тракте номинальные ослабления складываются: например, 10 и 15 дБ дают 25 дБ. Но тепловая нагрузка распределяется не поровну. При входных 100 Вт и без учёта допусков первый аттенюатор на 10 дБ передаст дальше 10 Вт и рассеет 90 Вт. Второй на 15 дБ передаст около 0,316 Вт и рассеет примерно 9,684 Вт.
Если поменять их местами, конечная мощность в идеальном расчёте останется прежней. Однако первый элемент на 15 дБ рассеет около 96,838 Вт, а второй на 10 дБ — 2,846 Вт. Каждое устройство выбирают по собственной входной мощности, нагреву и условиям охлаждения. Для окончательной проверки учитывают допуски обоих ослаблений и максимальную мощность источника.
Для импульсного сигнала нужен ещё один расчёт
Пиковую выходную мощность и пиковую рассеиваемую мощность определяют по тем же соотношениям, если передача аттенюатора остаётся линейной в полосе сигнала. Средние значения считают отдельно. Следующий каскад может выдерживать среднюю мощность, но перегружаться во время импульса; то же относится и к аттенюатору.
Дополнительно проверяют паспортные ограничения по длительности, частоте повторения, энергии и напряжению импульса. Небольшая средняя мощность не разрешает превышать импульсные пределы.
Порядок выбора
Сначала задайте рабочий диапазон мощности на входе следующего каскада. Затем сравните несколько номиналов по выходной и рассеиваемой мощности. После этого проверьте крайние сочетания мощности источника и допуска ослабления, выберите исполнение по паспорту и предусмотрите требуемый теплоотвод.
В нашем примере номинал 25 дБ сохраняет нужный уровень следующего каскада. При этом сам аттенюатор должен принимать до 120 Вт и отводить почти 120 Вт тепла. Решение задачи защиты входа не уменьшает эту тепловую нагрузку.
