Lors de la conception de circuits électroniques, il est généralement nécessaire d'amplifier les signaux en augmentant leur amplitude ou leur puissance. Mais il y a des situations où le niveau du signal doit être diminué. Et cette tâche n'est pas aussi facile qu'il n'y paraît à première vue.
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Qu'est-ce qu'un atténuateur et comment fonctionne-t-il ?
Un atténuateur est un dispositif utilisé pour réduire délibérément et normalement l'amplitude ou la puissance d'un signal d'entrée sans en affecter la forme.
Le principe des atténuateurs utilisés dans les applications de radiofréquence est le suivant Diviseur de tension en résistances ou condensateurs. Le signal d'entrée est réparti entre les résistances en proportion des résistances. La solution la plus simple est un diviseur de deux résistances. Un tel atténuateur est appelé atténuateur en forme de L (L-shaped dans la littérature technique étrangère). L'entrée et la sortie peuvent être de n'importe quel côté de ce dispositif asymétrique. Un atténuateur de type L est caractérisé par une faible perte d'adaptation entrée/sortie.
Types d'atténuateurs
En pratique, l'atténuateur de type L est utilisé moins fréquemment, principalement pour l'adaptation des impédances d'entrée et de sortie. Les dispositifs de type P (Pi dans la littérature étrangère à partir de la lettre latine π) et de type T sont beaucoup plus utilisés pour l'atténuation normalisée des signaux. Ce principe permet de créer des dispositifs ayant la même impédance d'entrée et de sortie (mais on peut en utiliser des différentes si nécessaire).
L'illustration montre des dispositifs asymétriques. La source et la charge doivent être reliées de part et d'autre par des lignes asymétriques - câbles coaxiaux, etc.
Pour les lignes symétriques (paires torsadées, etc.), on utilise des circuits symétriques - on les appelle parfois atténuateurs de type H et O, bien qu'il ne s'agisse que de variations des dispositifs précédents.
En ajoutant une (deux) résistances, l'atténuateur de type T (H) devient un type de pont.
Les atténuateurs sont disponibles industriellement en tant que dispositifs complets avec des connecteurs pour la connexion, mais ils peuvent également être réalisés sur un PCB comme partie d'un circuit général. Les atténuateurs résistifs et capacitifs présentent un avantage majeur : ils ne contiennent aucun élément non linéaire, ce qui ne déforme pas le signal et ne fait pas apparaître de nouvelles harmoniques dans le spectre et disparaître les harmoniques existantes.
Outre les atténuateurs résistifs, il existe d'autres types d'atténuateurs. Ils sont couramment utilisés dans les applications industrielles :
- Atténuateurs limiteurs et polarisants - basés sur les propriétés structurelles des guides d'ondes ;
- Atténuateurs absorbants - l'atténuation du signal est causée par l'absorption de la puissance par des matériaux spécialement sélectionnés ;
- atténuateurs optiques ;
Ces types de dispositifs sont utilisés dans la technologie des micro-ondes et dans la gamme des fréquences lumineuses. Aux basses et radiofréquences, on utilise des atténuateurs basés sur des résistances et des condensateurs.
Principales caractéristiques
Le coefficient d'atténuation est le principal paramètre déterminant les propriétés des atténuateurs. Elle est mesurée en décibels. Pour comprendre combien de fois l'amplitude du signal diminue après avoir traversé le circuit d'atténuation, vous devez convertir le facteur de décibels en temps. La sortie d'un dispositif qui réduit l'amplitude du signal de N décibels, sera M fois plus faible :
M=10(N/20) (pour une puissance M=10(N/10)) .
Recalcul inverse :
N=20⋅log10(M) (pour une puissance N=10⋅log10(M)).
Ainsi, pour un atténuateur avec Kosl=-3 dB (coefficient toujours négatif puisque la valeur est toujours décroissante), le signal de sortie aura une amplitude de 0,708 de l'original. Et si l'amplitude de sortie est la moitié de l'amplitude d'origine, alors le Kosl est d'environ -6dB.
Les formules sont assez compliquées à calculer de tête, il est donc préférable d'utiliser des calculateurs en ligne, qui sont nombreux sur Internet.
Pour les dispositifs réglables (échelonnés ou lisses), les limites de réglage sont spécifiées.
Un autre paramètre important est l'impédance de l'entrée et de la sortie (elles peuvent être les mêmes). Cette impédance est liée à une caractéristique telle que le rapport d'ondes stationnaires (ROS), qui est souvent indiqué sur les produits fabriqués dans le commerce. Pour une charge purement active, elle est calculée selon la formule :
- VSW=ρ/R si ρ>R, où R est la résistance de la charge et ρ l'impédance de la ligne.
- VSW= R/ρ si ρ
Le VSW est toujours supérieur ou égal à 1. Si R=ρ, toute la puissance est transférée à la charge. Plus ces valeurs diffèrent, plus la perte est importante. Par exemple, à VSW=1,2, 99% de la puissance atteint la charge, tandis qu'à VSW=3, 75% atteint la charge. Si un atténuateur de 75 ohms est connecté à un câble de 50 ohms (ou vice versa), le VSW=1,5 et la perte sera de 4%.
D'autres caractéristiques importantes sont à mentionner :
- gamme de fréquences de fonctionnement ;
- puissance maximale.
La précision est également importante, car elle fait référence à l'écart admissible de l'atténuation par rapport à l'atténuation nominale. Sur les atténuateurs industriels, les caractéristiques sont imprimées sur le boîtier.
Dans certains cas, la puissance de l'appareil est importante. L'énergie qui n'atteint pas le consommateur est dissipée dans les éléments atténuateurs, il est donc essentiel de ne pas surcharger.
Il existe des formules pour calculer les caractéristiques de base des atténuateurs résistifs de différentes conceptions, mais elles sont lourdes et contiennent des logarithmes. Il faut donc au moins une calculatrice pour les utiliser. Il est donc plus pratique d'utiliser des programmes spéciaux (y compris en ligne) pour l'auto-calcul.
Atténuateurs réglables
Le coefficient d'atténuation et la VSW sont influencés par la valeur nominale de tous les éléments qui composent l'atténuateur. résistances avec des paramètres continuellement ajustables est difficile à créer. En modifiant l'atténuation, le ROS doit être ajusté et vice versa. Ces problèmes peuvent être résolus en utilisant des amplificateurs dont le gain est inférieur à 1.
Ces dispositifs sont construits avec des transistors ou OP-AMPSmais la linéarité est un problème. Il n'est pas facile de construire un amplificateur qui ne déforme pas la forme d'onde sur une large gamme de fréquences. La commande par paliers est beaucoup plus courante : les atténuateurs sont connectés en série et l'atténuation est additionnée. Les circuits qui doivent être atténués sont contournés (contacts de relais etc). Ainsi, le facteur d'atténuation requis est obtenu sans modifier l'impédance de l'onde.
Il existe des modèles d'atténuateurs à commande progressive basés sur des transformateurs à large bande (BFT). Ils sont utilisés dans les applications de communications amateurs où les exigences d'adaptation entrée/sortie sont faibles.
Le réglage progressif des atténuateurs de guides d'ondes est obtenu en modifiant les dimensions géométriques. Il existe également des atténuateurs optiques permettant un réglage progressif de l'atténuation, mais ces dispositifs ont une conception assez complexe car ils contiennent un système de lentilles, de filtres optiques, etc.
Applications
Si un atténuateur a des impédances d'entrée et de sortie différentes, alors, en plus de la fonction d'atténuation, il peut jouer le rôle d'un dispositif d'adaptation. Par exemple, si un câble de 75 ohms et un câble de 50 ohms doivent être connectés, on peut placer entre eux un câble de valeur nominale appropriée et corriger le degré d'adaptation ainsi que l'atténuation normalisée.
Dans les applications de réception, les atténuateurs sont utilisés pour éviter de surcharger les circuits d'entrée avec de puissants rayonnements non essentiels. Dans certains cas, l'atténuation d'un signal parasite même simultanément à un faible signal utile peut améliorer la qualité de réception en réduisant le bruit d'intermodulation.
Dans les applications de mesure, les atténuateurs peuvent être utilisés comme découplage - ils réduisent l'influence de la charge sur la source du signal de référence. Les atténuateurs optiques sont largement utilisés pour tester les équipements de liaison par fibre optique en émission/réception. Ils sont utilisés pour simuler l'atténuation dans une ligne réelle et déterminer les conditions et les limites d'une liaison stable.
En ingénierie audio, les atténuateurs sont utilisés comme dispositifs de contrôle de la puissance. Contrairement aux potentiomètres, ils le font avec moins de perte de puissance. Ici, il est plus facile d'assurer une régulation en douceur, car l'impédance de l'onde n'a pas d'importance - c'est l'atténuation qui compte. Dans les réseaux câblés de télévision, les atténuateurs éliminent la surcharge des entrées TV et permettent de maintenir la qualité de la transmission quelles que soient les conditions de réception.
N'étant pas le dispositif le plus complexe, les atténuateurs trouvent la plus large application dans les circuits radiofréquence et permettent une variété d'applications. Aux fréquences micro-ondes et optiques, ces dispositifs sont construits différemment et constituent des assemblages industriels complexes.
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