減衰器（電子部品）

減衰器
	30 dB 5 W RFアッテネータ、DC～18 GHz、N型同軸コネクタ付き
コンポーネントタイプ	受け身
電子シンボル

減衰器は、信号の波形を著しく歪ませることなく信号の電力を低減する受動的な広帯域電子デバイスです。

アッテネータはアンプとは実質的に逆の働きをしますが、両者は異なる方法で動作します。アンプはゲイン（利得）を提供しますが、アッテネータはロス（損失）、つまりゲインが1より小さい状態を提供します。オーディオ機器では、アッテネータはしばしば「パッド」と呼ばれます。^[a]

建設と使用

減衰器は通常、単純な分圧回路網で構成される受動デバイスです。異なる抵抗値を切り替えることで、段階的に調整可能な減衰器や、ポテンショメータを用いた連続的に調整可能な減衰器が形成されます。高周波数域では、電圧定在波比（VSWR）が正確に整合された低抵抗回路網が使用されます。

回路内の固定減衰器は、電圧を下げ、電力を消費し、インピーダンス整合を改善するために使用されます。信号測定では、減衰器パッドまたはアダプタを使用して信号振幅を既知の量だけ下げることで測定を可能にしたり、測定装置を損傷する可能性のある信号レベルから保護したりします。減衰器は、見かけのSWR（定在波比）を下げることでインピーダンスを「整合」させるためにも使用されます。

減衰回路

減衰器に使用される基本回路は、π型（パイパッド）と T型パッドです。これらは、使用される線路形状が平衡型か不平衡型かに応じて、平衡型または不平衡型の回路構成にする必要があります。例えば、同軸線路に使用する減衰器は不平衡型ですが、ツイストペア線路に使用する減衰器は平衡型である必要があります。

左の図に、4つの基本的な減衰器回路図を示します。減衰器回路は受動抵抗素子のみで構成されているため、線形かつ可逆です。回路が対称形になっている場合（通常は入力インピーダンスZ ₁と出力インピーダンスZ ₂が等しいことが求められるため、通常は対称形になります）、入力ポートと出力ポートは区別されませんが、慣例により回路の左側を入力、右側を出力と呼びます。

特定の損失値を達成するために適切な抵抗値を決定する手段を提供する様々な表や計算機が利用可能である。例えば、1960年にNABが600オームの回路で使用するために1/2から40dBの範囲の損失について公表した表や計算機などがある。^[1]

減衰器の特性

減衰器の主な仕様は以下のとおりです。^[2]

相対的な電力をデシベル単位で表した減衰量。3dBのパッドは電力を半分に、6dBは4分の1に、10dBは10分の1に、20dBは100分の1に、30dBは1000分の1に、といった具合に減衰します。入力インピーダンスと出力インピーダンスが同じ場合、電圧減衰は電力減衰の平方根になります。例えば、電力を4分の1に減衰する6dB減衰器は、電圧（および電流）を半分に低減します。
公称インピーダンス、例えば50オーム
周波数帯域幅（例：DC～18GHz）
消費電力は、抵抗材料の質量と表面積、および追加される冷却フィンによって決まります。
SWRは入力ポートと出力ポートの定在波比です。
正確さ
再現性

RF減衰器

無線周波数減衰器は、一般的に同軸構造で、精密コネクタをポートとして用い、内部構造は同軸、マイクロストリップ、または薄膜です。SHFを超える周波数では、特殊な導波管構造が必要です。フラップ減衰器は、導波管内で信号を減衰させるために設計されています。

重要な特徴は次のとおりです。

正確さ、
低いSWR、
フラットな周波数応答と
再現性。

減衰器のサイズと形状は、電力を消費する能力によって異なります。RF減衰器は、RF信号を測定する際に、負荷として、また既知の減衰と保護的な電力消費として使用されます。^[3]

オーディオ減衰器

プリアンプ内のラインレベルアッテネータ、またはパワーアンプの後段にあるパワーアッテネータは、電気抵抗を利用してスピーカーに到達する信号の振幅を減衰させ、出力音量を下げます。ラインレベルアッテネータは、1/2ワットのポテンショメータや分圧器など、比較的低出力のアッテネータで、プリアンプレベルの信号を制御します。一方、パワーアッテネータは、10ワット以上の高出力アッテネータで、パワーアンプとスピーカーの間に使用されます。

抵抗パッドと減衰器の部品値

このセクションでは、完全に抵抗器で構成され、各ポートで純粋な実抵抗で終端されている pi パッド、T パッド、および L パッドについて説明します。

すべてのインピーダンス、電流、電圧、および2ポートパラメータは純粋な実数であると仮定します。実際のアプリケーションでは、この仮定は多くの場合十分です。
パッドは、特定の負荷インピーダンス Z _Loadと特定のソースインピーダンス Z _s用に設計されています。
- 出力ポートが Z _Loadによって終端されている場合、入力ポートから見たインピーダンスは Z _Sになります。
- 入力ポートが Z _Sで終端されている場合、出力ポートから見たインピーダンスは Z _Loadになります。

減衰器コンポーネント計算の参考数値

2ポート減衰器は一般的に双方向です。しかし、このセクションでは片方向として扱います。一般的には2つの図のいずれかが適用されますが、ほとんどの場合、最初の図（左側に信号源がある状態）が暗黙的に想定されます。Lパッドの場合、負荷インピーダンスが信号源インピーダンスよりも大きい場合は、2番目の図が使用されます。

混乱を避けるために、ここで説明する各タイプのパッド内の各抵抗器には固有の指定が与えられています。

L パッドコンポーネント値の計算では、ポート 1 (左側) の設計インピーダンスがポート 2 の設計インピーダンス以上であると想定しています。

使用される用語

パッドには、π パッド、T パッド、L パッド、減衰器、および 2 ポートが含まれます。
2 ポートには、π パッド、T パッド、L パッド、減衰器、および 2 ポートが含まれます。
入力ポートは 2 ポートの入力ポートを意味します。
出力ポートは 2 ポートの出力ポートを意味します。
対称とは、ソースと負荷のインピーダンスが等しい場合を意味します。
損失とは、パッドの入力ポートに入る電力を負荷によって吸収される電力で割った比率を意味します。
挿入損失とは、負荷が電源に直接接続された場合に負荷に供給される電力を、パッドを介して接続された場合に負荷によって吸収される電力で割った比率を意味します。

使用される記号

パッシブ、抵抗パッド、および減衰器は双方向の 2 ポートですが、このセクションでは単方向として扱われます。

Z _S = ソースの出力インピーダンス。
Z_負荷= 負荷の入力インピーダンス。
Z _{in = Z}_{Load が}出力ポートに接続されているときに入力ポートから見たインピーダンス。Z _{in は}負荷インピーダンスの関数です。
Z _{out = Z}_{s が}入力ポートに接続されているときに出力ポートから見たインピーダンス。Z _outはソースインピーダンスの関数です。
V _s = ソース開回路または無負荷電圧。
V _in = ソースによって入力ポートに印加される電圧。
V _out = 出力ポートによって負荷に印加される電圧。
I _in = ソースから入力ポートに入る電流。
I _out = 出力ポートから負荷に入る電流。
P _in = V _in I _in = ソースから入力ポートに入る電力。
P _out = V _out 、 I _out = 出力ポートから負荷によって吸収される電力。
P _direct = 負荷が電源に直接接続された場合に負荷によって吸収される電力。
L _pad = 10 log ₁₀ (P _in / P _out ) は常に成立します。さらに、Z _s = Z _Loadの場合、L _pad = 20 log ₁₀ (V _in / V _out ) となります。なお、定義により、損失は ≥ 0 dB となります。
L_挿入= 10 log ₁₀ (P_直接/ P_出力)。さらに、Z _s = Z_負荷の場合、L_挿入= L_パッドとなります。
損失 ≡ L _{pad 。損失は L}_padと定義されます。

対称Tパッド抵抗の計算

$A=10^{-\mathrm {Loss} /20}\qquad R_{a}=R_{b}=Z_{S}{\frac {1-A}{1+A}}\qquad R_{c}={\frac {Z_{s}^{2}-R_{b}^{2}}{2R_{b}}}$ ヴァルケンブルグp11-3参照^[4]

対称πパッド抵抗の計算

$A=10^{-\mathrm {Loss} /20}\qquad R_{x}=R_{y}=Z_{S}{\frac {1+A}{1-A}}\qquad R_{z}={\frac {2R_{x}}{\left({\frac {R_{x}}{Z_{S}}}\right)^{2}-1}}$ ヴァルケンブルグp11-3参照^[4]

インピーダンス整合抵抗計算用のLパッド

電源と負荷が両方とも抵抗性である場合（つまり、Z ₁と Z ₂の虚数部がゼロまたは非常に小さい場合）、抵抗性Lパッドを使用して両者を整合させることができます。図に示すように、Lパッドのどちら側も電源または負荷として使用できますが、Z ₁側はインピーダンスが高い側にする必要があります。Valkenburg 1998、pp. 11_3-11_5を参照 $R_{q}={\frac {Z_{m}}{\sqrt {\rho -1}}}\qquad R_{p}=Z_{m}{\sqrt {\rho -1}}$ ${\text{Loss}}=20\log _{10}\left({\sqrt {\rho -1}}+{\sqrt {\rho }}\right)\quad {\text{where}}\quad \rho ={\frac {Z_{1}}{Z_{2}}}\quad Z_{m}={\sqrt {Z_{1}Z_{2}}}$

正の数値が大きいほど損失が大きいことを意味します。損失はインピーダンス比の単調関数です。インピーダンス比が高いほど、損失も大きくなります。

Tパッドをπパッドに変換する

これはY-Δ変換である^[5] ${\begin{aligned}R_{z}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{c}}}\\R_{x}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{b}}}\\R_{y}={\frac {R_{a}R_{b}+R_{a}R_{c}+R_{b}R_{c}}{R_{a}}}.\end{aligned}}$

πパッドからTパッドへの変換

これはΔ-Y変換である^[5] ${\begin{aligned}R_{c}&={\frac {R_{x}R_{y}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\\R_{a}&={\frac {R_{z}R_{x}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\\R_{b}&={\frac {R_{z}R_{y}}{R_{x}+R_{y}+R_{z}}}\end{aligned}}$

2ポートとパッド間の変換

Tパッドからインピーダンスパラメータ

パッシブ2ポートのインピーダンスパラメータは次のとおりです。抵抗性Tパッドは常に2ポートとして表現できます。インピーダンスパラメータを用いた表現は、次のように非常に簡単です。 $V_{1}=Z_{11}I_{1}+Z_{12}I_{2}\qquad V_{2}=Z_{21}I_{1}+Z_{22}I_{2}\qquad {\text{with}}\qquad Z_{12}=Z_{21}$ $Z_{21}=R_{c}\qquad Z_{11}=R_{c}+R_{a}\qquad Z_{22}=R_{c}+R_{b}$

Tパッドのインピーダンスパラメータ

前述の式は簡単に逆変換できますが、損失が十分でない場合、T パッドコンポーネントの一部に負の抵抗が生じます。 $R_{c}=Z_{21}\qquad R_{a}=Z_{11}-Z_{21}\qquad R_{b}=Z_{22}-Z_{21}$

πパッドへのインピーダンスパラメータ

これらの前述の T パッドパラメータは、代数的に pi パッドパラメータに変換できます。 ${\begin{aligned}R_{z}&={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{21}}}\\R_{x}&={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{22}-Z_{21}}}\\R_{y}&={\frac {Z_{11}Z_{22}-Z_{21}^{2}}{Z_{11}-Z_{21}}}\end{aligned}}$

パイパッドからアドミタンスパラメータ

受動2ポートのアドミタンスパラメータは、抵抗性πパッドを2ポートとして表現することが常に可能です。アドミタンスパラメータを用いた表現は、次のように非常に単純です。 $I_{1}=Y_{11}V_{1}+Y_{12}V_{2}\qquad I_{2}=Y_{21}V_{1}+Y_{22}V_{2}\qquad {\text{with}}\qquad Y_{12}=Y_{21}$ $Y_{21}={\frac {1}{R_{z}}}\qquad Y_{11}={\frac {1}{R_{x}}}+{\frac {1}{R_{z}}}\qquad Y_{22}={\frac {1}{R_{y}}}+{\frac {1}{R_{z}}}$

πパッドへのアドミタンスパラメータ

前述の式は簡単に逆変換できますが、損失が十分でない場合、π パッドコンポーネントの一部に負の抵抗が生じます。 $R_{z}={\frac {1}{Y_{21}}}\qquad R_{x}={\frac {1}{Y_{11}-Y_{21}}}\qquad R_{y}={\frac {1}{Y_{22}-Y_{21}}}\,$

一般的なケース、要件からインピーダンスパラメータを決定する

パッドは完全に抵抗器で作られているため、ソースと負荷が等しくない場合にそれらを一致させるために、一定の最小損失が必要です。

最小損失は^{[4]で与えられる。} $\mathrm {Loss_{min}} =20\log _{10}\left({\sqrt {\rho -1}}+{\sqrt {\rho }}\right)\,\quad {\text{where}}\quad \rho ={\frac {\max[Z_{S},Z_{\text{Load}}]}{\min[Z_{S},Z_{\text{Load}}]}}$

パッシブマッチング 2 ポートでは損失が少なくなりますが、損失が少なくなる場合は抵抗減衰パッドに変換することはできません。 $A=10^{-\mathrm {Loss} /20}\qquad Z_{11}=Z_{S}{\frac {1+A^{2}}{1-A^{2}}}\qquad Z_{22}=Z_{\text{Load}}{\frac {1+A^{2}}{1-A^{2}}}\qquad Z_{21}=2{\frac {A{\sqrt {Z_{S}Z_{\text{Load}}}}}{1-A^{2}}}$

これらのパラメータが決定されると、上で説明したように T パッドまたは π パッドとして実装できます。

参照

注記

^ オックスフォード英語辞典ではこの用語の語源は示されていないが、1931 年 2 月のElectronics誌での使用が記されている。

参考文献

^ NABエンジニアリングハンドブック、表9-3 抵抗パッド（PDF）（第5版）。全米放送事業者協会。1960年。9 ～ 10頁。
^ 「固定減衰器 | Keysight（旧Agilent's Electronic Measurement）」www.keysight.com . 2018年8月31日閲覧。
^ RF減衰器についてアーカイブ済み 2013年10月30日、Wayback Machine – Herley General Microwave
^ abc ファルケンブルグ 1998、pp. 11_3
^ ab Hayt & Kemmerly 1971、p. 494

ヘイト、ウィリアム; ケマーリー、ジャック E. (1971)、エンジニアリング回路解析（第 2 版）、マグロウヒル、ISBN 0-07-027382-0
Valkenburg, Mac E. van (1998)、「技術者のための参考データ：無線、電子工学、コンピュータ、通信」（第8版）、Newnes、ISBN 0-7506-7064-9

外部リンク

ギターアンプのパワーアッテネーターに関するよくある質問
基本的な減衰回路
減衰器の種類、インピーダンス整合、非常に便利な計算機の説明

[1] オックスフォード英語辞典ではこの用語の語源は示されていないが、1931 年 2 月のElectronics誌での使用が記されている。

[2] NABエンジニアリングハンドブック、表9-3 抵抗パッド（PDF）（第5版）。全米放送事業者協会。1960年。9 ～ 10頁。

[Agilent_Overview-3] 「固定減衰器 | Keysight（旧Agilent's Electronic Measurement）」www.keysight.com . 2018年8月31日閲覧。

[4] RF減衰器についてアーカイブ済み 2013年10月30日、Wayback Machine – Herley General Microwave

[Valkenburg_1998_11_3-5] ファルケンブルグ 1998、pp. 11_3

[Hayt_1981_494-6] Hayt & Kemmerly 1971、p. 494