تضعیف کننده پسیو

یک تضعیف کننده پسیو، نوع خاصی از مدارهای دو طرفه‌ی الکتریکی یا الکترونیکی است که از عناصر کاملا مقاومتی تشکیل‌شده است.

یک  تضعیف کننده‌، یک شبکه‌ی مقاومتی متشکل از دو پورت است که برای سست نمودن  یا “تضعیف” (همانند نام خود) قدرت تامین‌شده توسط منبع، در سطحی مناسب برای  بار متصل طراحی شده‌است. یک تضعیف کننده پسیو، میزان توان تحویل  ‌داده‌شده به بار متصل را، به یک میزان منفرد ثابت، یا مقدار متغیر یا در  یک سری گام‌های سوئیچینگ، کاهش می‌دهد. به طور کلی از تضعیف کننده‌ها در  کاربرد های رادیویی، ارتباطی و خطوط انتقال جهت تضعیف سیگنال قوی استفاده  می‌شود.

یک تضعیف کننده‌ی پسیو، یک شبکه‌ی پسیو  خالص مقاومتی (بدون منبع تغذیه) است که در طیف گسترده‌ای از تجهیزات  الکترونیکی برای افزایش دامنه دینامیکی تجهیزات اندازه‌گیری با تنظیم سطوح  سیگنال، ارائه تطابق امپدانس اسیلاتورها یا تقویت‌کننده‌ها برای کاهش اثرات  ترمینال‌های ورودی/خروجی نامناسب، یا فراهم‌کردن ایزوله‌سازی بین مراحل  مختلف مدار بسته به کاربرد آن، استفاده می‌شود. شکل زیر، بیان کننده این  مطلب است:

اتصال تضعیف کننده

شبکه‌های تضعیف کننده ساده (که به‌عنوان “پد” نیز شناخته  می‌شوند)؛ می‌توانند به‌گونه‌ای طراحی شوند که درجه ثابتی از “تضعیف” را  ایجاد کرده یا مقدار متغیری از تضعیف را، در مراحل از پیش تعیین‌شده‌ای  ایجاد کنند. شبکه‌های استاندارد تضعیف کننده ثابت، که عموما به‌عنوان “پد  تضعیف‌کننده” نیز شناخته می‌شوند؛ از مقادیر خاصی از  0dB(صفر دسی بل) تا  بیش از 100dB در دسترس می‌باشند. تضعیف کننده‌های متغیر و سوئیچ شده، اساسا  شبکه‌های مقاومتی قابل تنظیم بوده که برای هر مرحله تغییر، یک افزایش  تضعیف کالیبره‌شده را نشان می‌دهند و برای نمونه، می‌توان گام‌های -2dB یا  -6dB برای هر موقعیت سوئیچ را مثال زد.

پس یک تضعیف‌کننده،  یک شبکه مقاومتی دارای چهار پایانه (دو پورتی) است (انواع فعال آن نیز در  دسترس بوده که از ترانزیستورها و مدارهای مجتمع استفاده می‌کنند)؛ که  به‌منظور ایجاد تضعیف “بدون اعوجاج” سیگنال الکتریکی خروجی در همه  فرکانس‌ها به میزان مساوی و بدون تغییرفاز، برخلاف شبکه‌ی فیلتر  RC پسیو،  طراحی‌ شده‌است. برای دستیابی به این هدف، تضعیف کننده‌ها باید از  مقاومت‌های کاملا القایی و نه مقاومتی‌های سیم‌پیچی، تشکیل شده‌باشند؛ زیرا  عناصر راکتیو سبب تفاوت فرکانسی می‌شوند.

تضعیف کننده‌ی پسیو ساده

تضعیف کننده‌ها، عکس تقویت کننده‌ها می‌باشند. یک تضعیف کننده‌ی  معمولی، توسط مدار تقسیم مقاومتی ولتاژ، سبب کاهش بهره مدار می‌شود. میزان  تضعیف در یک شبکه‌، با نسبت خروجی به ورودی (خروجی/ورودی) تعیین می‌گردد.  برای مثال اگر ولتاژ ورودی یک مدار برابر با 1 ولت (1V) و خروجی آن برابر  با 1 میلی ولت (1mV) باشد، پس مقدار تضعیف 1mV/1V برابر با 0.001 یا تضعیف  1000 برابر است.

با این حال استفاده از نسبت‌های ولتاژ، جریان یا حتی  توان، برای تعیین یا بیان میزان تضعیف کنندگی که یک شبکه تضعیف کننده  مقاومتی می‌تواند داشته‌باشد؛ ضریب تضعیف خوانده می‌شود  که می‌تواند گیج‌کننده باشد. بنابراین برای یک تضعیف کننده‌ی پسیو، درجه‌ی  تضعیف آن، معمولا با استفاده از یک مقیاس لگاریتمی بیان می‌شود که برحسب  دسی‌بل (dB) بوده و برخورد با اعداد کوچک را آسان‌تر می‌کند.

درجه های تضعیف

عملکرد تضعیف کننده‌ها، با تعداد دسی بل که یک سیگنال ورودی بر  یک دهه (یا اکتاو، معادل 8تایی) فرکانسی کاهش می‌دهد؛ بیان می‌شود. دسی‌بل  که به‌اختصار “dB” نیز نامیده می‌شود؛ به طورکلی، به اندازه لگاریتم یا  log”” اندازه نسبت ولتاژ، جریان و توان تعریف می‌شود و یک‌دهم (1/10) بل  (B) را نشان می‌دهد. به عبارت‌دیگر، ساختن یک بل به 10 دسی‌بل نیاز دارد.  سپس طبق تعریف، نسبت بین یک سیگنال ورودی (Vin) و یک سیگنال خروجی (Vout)  برحسب دسی‌بل به صورت زیر است:

تضعیف دسی بل

باید توجه داشت که دسیبل (dB) یک نسبت لگاریتمی است و بنابراین  هیچ واحدی ندارد. بنابراین مقدار 140dB – نشان‌دهنده‌ی تضعیف 1:10000000  واحد یا نسبت 10 میلیون به 1 است.

در مدارهای تضعیف کننده پسیو، اغلب  مناسب است که مقدار ورودی 0dB به‌عنوان نقطه مرجع تعیین شود. این بدان  معناست که صرف نظر از مقدار واقعی سیگنال ورودی یا ولتاژ، باید مرجعی برای  مقایسه مقادیر خروجی تضعیف استفاده ‌شود و بنابراین، 0dB به آن اختصاص داده  می‌شود. این بدان معناست که هر مقدار سیگنال خروجی زیر این نقطه مرجع،  به‌عنوان مقدار منفی dB ،(-dB) بیان می‌شود.

برای  مثال، تضعیف 6dB- نشان‌دهنده‌ی 6dB زیر مرجع ورودی 0dB بوده؛ اگر نسبت  خروجی/ورودی برابر با یک (واحد) باشد. در مثال دیگری لگاریتم 0.707 ،برابر  با 20log(0.707) = -3dB است و نیز اگر نسبت 0.5=ورودی/خروجی را درنظر  بگیریم؛ 20log(0.5) = -6dB بوده و این‌گونه ادامه می‌یابد. جداول استاندارد  الکتریکی تضعیف، برای صرفه‌جویی در محاسبات موجود است.

مثال ۱

یک مدار تضعیف کننده پسیو، دارای تلفات درج -32dB و ولتاژ خروجی 50mV است. مقدار ولتاژ ورودی چقدر خواهد بود؟

لگاریتم معکوس (log-۱)۱.۶ به صورت زیر است:

پس، اگر ولتاژ خروجی با 32dB تضعیف شود، ولتاژ ورودی برابر با 2 ولت نیاز خواهد‌بود.

جدول تلفات تضعیف‌کننده

و اینگونه ایجاد یک جدول با مقادیر زیادی از دسی بل، که برای طراحی تضعیف‌کننده نیاز است؛ ادامه می‌یابد.

این  کاهش در ولتاژ، جریان یا توان، برحسب دسی بل، با قرارگیری تضعیف کننده در  یک مدار الکتریکی به‌نام تلفات درج بیان می‌شود و طراحی تضعیف کننده با  حداقل تلفات، با مدارهای امپدانس نابرابر دارای حداقل تلفات در شبکه تطبیق،  مطابقت دارد.

اکنون که می‌دانیم یک تضعیف کننده‌ی پسیو چیست، چگونه می‌توانیم آن را برای کاهش یا “تضعیف” سطح توان یا ولتاژ یک  سیگنال استفاده کنیم؛ زمانی که اعوجاج کم یا بدون اعوجاج بودن و تلفات درج  را، توسط مقداری برحسب دسی‌بل بیان می‌کنیم؟ اکنون می‌توان به طراحی  مدارهای تضعیف کننده‌ی متفاوتی که موجود است نگاه کرد.

طراحی های تضعیف کننده پسیو

راه‌های زیادی وجود دارد که می‌توان مقاومت‌ها را در مدارهای تضعیف کننده تنظیم کرد. مدار تقسیم کننده پتانسیل،  ساده‌ترین نوع مدار تضعیف‌کننده‌ی پسیو است. مدار تقسیم کننده‌ی پتانسیل  یا ولتاژ، عموما به‌عنوان تضعیف کننده‌ی ال-پد (L-pad) شناخته می‌شود؛ زیرا  نمودار مدار آن شبیه به “L” وارونه است.

اما انواع متداول دیگری از  شبکه‌های تضعیف‌کننده، مانند تضعیف کننده‌ی تی-پد (T-pad) و تضعیف کننده‌ی  پی-پد (π-pad) بسته به نحوه‌ی اتصال عناصر مقاومتی به‌یکدیگر وجود دارد.  این سه نوع تضعیف کننده‌ی رایج در زیر نشان داده‌شده‌است.

انواع تضعیف کننده

طراحی‌های مدار تضعیف کننده‌ی بالا را می‌توان در دو حالت  “متعادل” و “نامتعادل” با عملکردی برای هر دو نوع یکسان، ترتیب داد. نسخه  متعادل تضعیف کننده تی-پد (T-pad)، تضعیف کننده‌ی اچ-پد (H-pad) نامیده  می‌شود؛ در حالی که نسخه‌ی متعادل تضعیف کننده‌ی پی-پد (π-pad)، تضعیف  کننده‌ی او-پد (O-pad) خوانده می‌شود. تضعیف کننده‌های نوع تی-پل (Bridged  T) نیز موجود می‌باشند.

در یک تضعیف کننده‌ی نامتعادل، عناصر  مقاومتی، تنها در یک طرف خط انتقال وصل می‌شوند؛ در حالی که طرف دیگر زمین  است تا از نشتی در فرکانس‌های بالاتر جلوگیری گردد. قسمت متصل به زمین  شبکه‌ی تضعیف کننده، هیچ عنصر مقاومتی ندارد و بنابراین “خط مشترک” نامیده  می‌شود.

در یک پیکربندی تضعیف کننده متعادل، تعداد مساوی عناصر  مقاومتی، به طرز برابری، در هر طرف خط انتقال با زمین واقع در نقطه مرکزی  ایجاد‌شده توسط مقاومت موازی متعادل، متصل می‌شوند. در حالت کلی شبکه‌های  تضعیف کننده‌ی متعادل و نامتعادل، نمی‌توانند به هم متصل شوند؛ زیرا این  امر باعث می‌شود، نیمی از شبکه متعادل از طریق پیکر بندی نامتعادل کوتاه  شود.

تضعیف کننده های سوئیچ شده

به جای داشتن تنها یک تضعیف کننده، برای دستیابی به درجه مورد نیازی از تضعیف، پدهای تضعیف کننده‌ی  منحصر بفردی می‌تواند به‌هم متصل شده یا کسکید شوند؛ تا میزان تضعیف را در  مراحل مختلف افزایش دهند. سوئیچ‌های دوار چند قطبی، سوئیچ‌های غلتان یا  سوئیچ‌های دکمه‌دار، می‌تواند برای اتصال یا گذشتن از شبکه‌های منحصر بفرد  ثابت تضعیف کننده، در هر دنباله‌ی دلخواه از 1dB تا 100dB یا بیشتر مورد  استفاده قرارگیرند؛ این امر، طراحی و ساخت شبکه‌های تضعیف کننده‌ی  سوئیچ‌شده، که با نام  تضعیف کننده‌ی گام نیز شناخته  می‌شود، آسان می‌کند. با سوئیچ کردن در تضعیف کننده‌های مناسب، می‌توان  تضعیف را در گام‌های ثابت مانند شکل زیر، افزایش یا کاهش داد.

در اینجا چهار شبکه‌ی تضعیف کننده مقاومتی مستقل وجود دارد که در  یک شبکه نردبانی سری به‌هم کسکید شده‌اند، و هر تضعیف‌کننده دارای دو  برابر ارزش تضعیف‌کننده‌ی قبل از خود است (1-2-4-8). هرشبکه‌ی تضعیف کننده،  ممکن است به “داخل” یا “خارج” مسیر سیگنال، به‌دلیل نیاز به تولید یک مدار  تضعیف کننده تنظیم گام، توسط سوئیچ مربوطه تغییر کند که می‌تواند تغییر از  0dB به -15db با گام 1dB باشد.

بنابراین مقدار کل تضعیف ارائه شده  توسط مدار، مجموع شبکه‌های هر چهار تضعیف‌کننده بوده که به “ورودی” (IN)  سوئیچ می‌کنند. برای مثال، تضعیف -5dB نیاز به سوئیچ های SW1 و SW3 برای  اتصال داشته و تضعیف -12dB نیاز به سوئیچ‌های SW3 و SW4 برای اتصال دارد و  این‌گونه ادامه می‌یابد.

خلاصه تضعیف‌کننده

• یک تضعیف‌کننده یک دستگاه چهار پایانه‌ای است؛ که دامنه یا  توان سیگنال را بدون تحریف شکل موج کاهش می‌دهد و یک مقدار مشخص از تلفات  را معرفی می‌کند.
• یک شبکه‌ی تضعیف کننده بین منبع و مدار بار قرار  داده می‌شود؛ تا مقدار مشخصی از سیگنال منبع را به‌میزان مشخص و مناسب بار،  کاهش دهد.
• تضعیف کننده‌ها می‌توانند ثابت، کاملا متغیر یا در گام‌های شناخته‌شده‌ای از تضعیف متغیر باشند: -0.5dB،-1dB،-10dB و ….
• تضعیف کننده، می‌تواند از نظر شکل متقارن یا نامتقارن باشد یا متعادل و نامتعادل باشد.
• تضعیف کننده‌های ثابت، که به‌عنوان “پد” نیز شناخته می‌شوند؛ برای “مطابقت” امپدانس‌های نابرابر استفاده می‌شوند.
• یک  تضعیف کننده، عملا نقطه مقابل تقویت کننده است. یک تقویت کننده سبب افزایش  بهره می‌شود؛ درحالی‌که، تضعیف‌کننده سبب ایجاد تلفات یا بهره کمتر از  ۱(واحد) می‌شود.
• تضعیف‌کننده‌ها، معمولا دستگاه‌های پسیوی می‌باشند  که از شبکه‌های تقسیم ولتاژی ساده ساخته‌شده‌اند؛ و سوئیچینگ بین  مقاومت‌های مختلف، با استفاده از پتانسیومترها، تضعیف کننده‌های قابل تنظیم  و آن‌هایی را که به‌طور مداوم قابل تنظیم می‌باشند؛ ایجاد می‌کنند.

برای  ساده‌سازی طراحی یک تضعیف‌کننده؛ می‌توان از مقدار “K” (به‌عنوان ثابت)  استفاده کرد. این مقدار “K” نسبت ولتاژ، جریان یا توان مربوطه به مقدار  مشخص تضعیف dB بوده و به صورت زیر است:

می‌توانیم مجموعه‌ای از مقادیر ثابت به نام مقادیر “K” را برای مقادیر مختلف تضعیف، که در جدول زیر آمده‌است تولید کنیم.

جدول تلفات تضعیف کننده

و اینگونه، تولید جدولی با مقادیر زیادی از K آنگونه که موردنیاز است؛ ادامه می‌یابد.

تضعیف کننده‌ی مقدار ثابت که “پد‌های تضعیف کننده” نامیده‌  می‌شود؛ عمدتا در خطوط انتقال فرکانس رادیویی (Rf) برای کاهش ولتاژ، اتلاف  توان یا بهبود تطابق امپدانس بین مدارهای مختلف ناسازگار استفاده می‌شوند.

تضعیف  کننده‌های سطح-خطی در پیش تقویت کننده‌ها یا تقویت کننده‌های توان  رادیویی، می‌تواند به‌سادگی یک پتانسیومتر 0.5 وات یا تقسیم کننده‌ی ولتاژ  L-pad باشد؛ که برای کاهش دامنه سیگنال صوتی، قبل از رسیدن به بلندگو طراحی  شده‌است و باعث کاهش حجم صدای خروجی می‌شود.

در اندازه‌گیری سیگنال،  پدهای تضعیف کننده‌ی توان بالا، برای کاهش دامنه‌ی سیگنال، به میزان مشخص  برای فعالسازی اندازه‌گیری‌ یا محافظت از دستگاه اندازه‌گیری در سطوح بالای  سیگنال، که ممکن است به آن آسیب برساند؛ استفاده می‌شود.

در آموزش بعدی درباره‌ی تضعیف‌کننده‌ها،  ما به ابتدایی‌ترین نوع شبکه‌ی تضعیف کننده‌ی مقاومتی که معمولا نوع L یا  L-pad نامیده می‌شود؛ نگاه می‌کنیم که می‌تواند، تنها با استفاده از دو  عنصر مقاومتی ساخته شود. مدار تضعیف کننده‌ی L-pad هم‌چنین می‌تواند  به‌عنوان مدار تقسیم کننده‌ی ولتاژ یا پتانسیل مورداستفاده قرار گیرد.