Atenuador con diodos PIN

Atenuador con diodos PIN

Son muchos los casos en los que se necesita atenuar una señal y esto es sencillo hacerlo con un atenuador, PI o T, de resistencias. En otros casos lo que interesa es conmutar este atenuador para mejorar la recepción de un receptor, ajustar la amplitud de una señal para una prueba, etc. En estos casos se usa una llave o un relé para conmutar el atenuador.

Vamos a ver cómo hacer esto mediante dioos PIN[i]. Existen varias topologías de conmutación con diodos y hay igualmente varias topologías de atenuador, aunque las más corrientes son en PI y en T.

Atenuador resistivo PI y T

Este tipo de atenuador emplea 3 resistencias. Este tipo de atenuadores son simétricos, es decir la impedancia de entrada y salida es la misma. La forma en la que atenúa uno y otro es ligeramente distinta. El atenuador T es en realidad dos divisores de tensión puestos en cascada. Desde el lado de J1, R1 y R3 forman el primer divisor y R2 con la carga conectada en J2 forma el segundo divisor. El producto de ambas divisiones darán la atenuación deseada y la suma de la impedancia de salida, 50 ohmios, con el valor de R2 y el paralelo resultante con R3 más el valor de R1 será 50 ohmios. Evidentemente el atenuador se puede diseñar para cualquier otra impedancia. Si la impedancia de carga no es la calculada para el atenuador, 50 ohmios en nuestro caso, la atenuación será distinta de la esperada.

El atenuador PI consta de un solo divisor y la atenuación se produce por la caída de tensión en R3. R1 y R2 sirven para adaptar la impedancia. El paralelo que forma R2 con la impedancia conectada en J2 es el divisor de salida con R3. R1 adapta la impedancia de entrada.

Fig 1:Atenuador resistivo PI y T

La atenuación en el atenuador T es mayor cuanto mayor sean R1 y R2 junto a cuanto menor sea R3. Es obvio que R1 y R2 nunca pueden ser mayores de 50 ohmios para el caso que nos ocupa. De lo contrario la ROE, teórica, sería mayor que 1:1. Por tanto para altas atenuaciones R3 será muy pequeña. La resistencia de conexión a masa de R3 es crítica en estos casos y por tanto para grandes atenuaciones no resulta fácil de construir, especialmente a frecuencias de VHF.

La atenuación en el atenuador PI es mayor cuanto mayor sea R3. R1 y R2 intervienen en la atenuación y la adaptación a 50 ohmios. Es obvio que R1 y R2 no pueden ser menores a 50 ohmios en este tipo de atenuador. De lo contrario la ROE, teórica, sería mayor que 1:1 para altas atenuaciones. Para altas atenuaciones el valor de R3 es muy grande y los acoplamientos inductivos o capacitivos entre sus terminales afectan a la atenuación a altas frecuencias.

Aquí algunos valores teóricos de las resistencias para cada tipo de atenuador:

	PI		T
Att dB	R1, R3	R2	R1,R3	R2
1	869,5	5,8	2,9	433,3
2	436,2	11,6	5,7	216,2
3	292,4	17,6	8,5	141,9
5	178,5	30,4	14	82,2
10	96,2	71,2	26	35,1
20	61,1	247,5	40,9	10,1
40	51	2499,8	49	1

Tabla 1: Valores de R1, R2 y R3 para diversas atenuaciones

Fig 2: Comparativa de R1, R2 y R3 para atenuadores PI o T a distintas atenuaciones.

Conmutador a diodo PIN

Un diodo PIN sirve como interruptor, serie o paralelo, con el sencillo método de hacer circular una determinada corriente continua, para que actúe como interruptor cerrado o polarizándolo en inversa para que actúe como interruptor abierto.

Resulta sencillo hacer un conmutador de dos posiciones mediante dos diodos, haremos pasar una corriente por el diodo que queramos poner en posición de conducir.

Fig 3: Conmutador de dos posiciones

Poniendo tensión en V1on se produce una corriente a través del circuito R3-D1-R1, este valor será:

Hay que ver los valores adecuados de R1 y R3 para conseguir la corriente de polarización deseada para la tensión V1on disponible. Veamos un ejemplo con el diodo BA243.

Fig 4: Relación resistencia/corriente BA243/BA244

El BA243 se puede polarizar con un máximo de 50mA. Para esta corriente el diodo presenta unos 0,5 ohmios de resistencia, a 5mA 1 ohmio y a 2mA algo menos de 2 ohmios. Nos interesa la menor corriente posible para ahorrar en consumo si la aplicación lo exige y la menor resistencia posible de forma que las pérdidas sean mínimas.

Con una corriente de 2mA hay unas pérdidas de 0,63 dB y una ROE de 1:1.06. Hay que tener en cuenta en estos cálculos el efecto de las resistencias de polarización que las he supuesto de 1200 ohmios. Para una corriente de 5mA las pérdidas son de 0,539dB y la ROE 1:1.08. Por tanto se ve de forma clara que no merece la pena meter una corriente demasiado alta para lo que se obtiene de mejora, menor a 0,1 dB.

Como hay que conmutar dos conexiones en el atenuador, entrada y salida, se necesita un conmutador doble de dos posiciones, es decir, 4 diodos. Las pérdidas por tanto serán algo mayores, el doble, que para un solo diodo.

Atenuador PIN

Recapitulando un poco, las resistencias de polarización interesan que sean lo más altas posibles para que no influyan ni en la impedancia de entrada y salida ni en la atenuación. 1.2K o más es aceptable respecto de 50 ohmios, el paralelo da 48 ohmios que es una ROE de 1:1,04 debido a estas resistencias, R1 y R13. Para corregir esta pequeña ROE es necesario añadir más resistencias que formen unos atenuadores de entrada y salida que adapten a 50 ohmios, pero que introducirán unas pérdidas adicionales y en realidad no merece la pena salvo para aplicaciones muy especiales.

Fig 5: Atenuador “0”-20dB

En la figura 3 podemos ver que la sección de “no atenuación” se hace con un circuito T, D3, D2, R8. R8 además permite polarizar los diodos que son las resistencias serie de este circuito. Mediante un desacoplo y R9 aislamos el circuito de la alimentación. No se han colocado bobinas de RF porque estas afectan a la impedancia del circuito y por tanto su atenuación varía con la frecuencia. Cuando aplicamos tensión a J3 la atenuación es mínima. Para 8Vcc en J3 y 0Vcc en J2, la corriente por los diodos es de 3,6mA y esto corresponde, en la gráfica de la figura 4, a una resistencia de 0,6 ohmios. La atenuación prevista para este circuito es de 0.678 para frecuencias superiores a 4 MHz y una ROE de 1:1.11. Para frecuencias más bajas los condensadores empiezan a ser importantes y en ligar de 10nF hay que ponerlos de 100nF.

Si ahora permutamos la tensión de J3 con J2, tendremos activado el camino de 20 dB. La corriente ahora por D4 y D1 es de 4,6 mA, ya que la resistencia de polarización es menor. La atenuación es de 20,4 dB y la ROE es de 1:1,03. La variación entre ambas posiciones es de 19,22dB.

Bien, todo esto es desde el punto de vista teórico, ahora vamos a ver de forma real que es lo que se puede hacer. La resistencia R6 se puede usar para un ajuste fino de la atenuación ya que no afecta de forma considerable a la ROE.

Fig 6: Placa atenuador.

Fig 7: Prototipo del atenuador.

Resultados

Atenuación con ambos circuitos en apagado, atenuación en la posición de 0dB (VJ3 = 8Vcc) y atenuación en la posición de 20 dB (VJ2 = 8Vcc).

Frec	OFF	0dB	20dB
1MHz	<-60dB	-4dB	-21.2dB
10MHz	-50dB	-1.2dB	-21dB
20MHz	-42dB	-0.9dB	-21dB
30MHz	-36dB	-0.9dB	-21dB
50MHz	-32dB	-0.9dB	-21.2dB
70MHz	-28dB	-1dB	-21.6dB
144MHz	-22dB	-1.8dB	-22dB

Tabla 2: Atenuación.

Fig 8: Respuesta en frecuencia del atenuador

Distorsión

Mientras que un conmutador mecánico y atenuador pasivo exclusivamente a resistencias no introduce distorsión a la señal, los diodos sí que pueden generar problemas de este tipo y es necesario saber dónde está el límite.

Para señales bajas, señales de 10mV o menos, no será un problema la conmutación con diodos pero para señales fuertes sí que es posible que el diodo deje de funcionar como una resistencia y pase a ser un dispositivo no lineal y por tanto generar distorsión.

Con -10dBm de observa en el analizador de espectro que los armónicos a la salida del atenuador están dentro de lo que genera el propio generador de RF.

Fig 9: Espectro para una señal de 20MHz -10dBm

Fig 10: Espectro para una señal de 10MHz +10dBm

Al bajar la frecuencia y aumentar la amplitud, los diodos ya se comportan como tales. Las señales fuertes de frecuencias más bajas son rectificadas y por tanto distorsionadas, generando armónicos y productos de intermodulación. A frecuencias más altas esto no sucede así o no de la forma tan evidente que a 10MHz y por debajo de esta frecuencia. La razón principal es que estos diodos están especificados para VHF. No obstante con señales de menos de 50mV, S9+60, van aceptablemente bien incluso en 3,5MHz.

Conclusiones

Las pérdidas para un atenuador a diodos PIN son bastante similares a las de un relé de propósito general. Mientras que el relé queda fuera de uso en cuanto sube la frecuencia el diodo PIN sigue siendo eficaz y a un coste mucho menor. El diodo PIN presenta pérdidas desde las frecuencias más bajas al contrario del relé que lo hace a partir de una frecuencia determinada. El coste de los relés de RF se dispara para llegar a frecuencias más altas mientras que el diodo PIN sigue siendo muy barato y lo único que hay que hacer es un cuidado diseño del circuito impreso para trabajar hasta 1 GHz con una placa de fibra de vidrio. A partir de 1 GHz se necesitan mejores materiales con base de teflón o cerámica, nada que ver con el QRP en HF.

El circuito impreso, como en el caso del relé, es crítico. Una placa doble cara y algo de blindaje entre la entrada y la salida contribuyen enormemente a mejorar el aislamiento. En la figura 8 es revelador ver como disminuye el aislamiento entrada salida cuando los diodos no están polarizados. La capacidad parásita del diodo es baja pero suficiente como para ser tenida en cuenta a frecuencias de 50MHz, además de lo que se puedan acoplar las resistencias por radiación de las patillas de conexión, pistas, etc.

Los componentes de pinchar a su vez limitan la frecuencia si los comparamos con los componentes SMD. No obstante para HF no supone ninguna ventaja especial el SMD frente a los componentes tradicionales, más asequibles.

Los valores teóricos calculados[ii] no corresponden con valores de resistencias normalizadas, salvo rara excepción. Por tanto se ha previsto que para cada una de las resistencias del atenuador se pueda hacer con un paralelo de dos resistencias con valores normalizados. Para hacer este cálculo[iii] se puede usar una calculadora de las que hay en internet, para móviles o hacerlo manualmente. Para un valor dado de resistencia, por ejemplo, en el atenuador de 20 dB necesitamos una resistencia de 247,5 Ω. El valor inmediatamente superior normalizado para el 5% es 270 Ω. Bien, aplicando la fórmula de resistencias paralelo hallamos el valor de la resistencia que hay que poner para que salga 247,5Ω. Despejando la fórmula queda así:

 El valor más próximo a 2970 Ω de entre los normalizados en el 5% es 3K. El error resultante es de solo el 0,08%, muy inferior al 5% de las resistencias.

Con diodos PIN es posible hacer un atenuador por pasos de 1dB de resolución. No obstante hay que tener en cuenta que cada paso en la posición de “0” dB va a perder casi un dB. Si ponemos 10 pasos en cascada ya tenemos 10 dB de pérdidas entre entrada y salida.

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[i] EA QRP Nº 76 de 2012.

[ii] QUCS, RF & Microwave Toolbox Lite para android.

[iii] ElectroDroid para android