衰減器和放大器的基礎知識 | 講解訊號控制的要點

隨著電子設備和通訊系統的不斷發展，在當今需要精確訊號控制的世界中，衰減器的作用變得越來越重要。

本文詳細講解了衰減器的基本定義、種類以及作用。此外，我們將討論放大訊號的放大器的定義、作用和類型，以及它們與其他測量元件的關係。

什麼是衰減器？

衰減器是一種在不失真的情況下降低電訊號強度的設備。廣泛應用於電子測量和物理量測量領域。

該設備內建多個電阻器，當輸入電源通過它們時，電阻器會以熱量的形式消散，從而衰減訊號。衰減量由電阻值的比例決定，因此透過根據目的改變電阻值，可以將訊號衰減到適當的水平，同時保護測量儀器免受過度輸入的影響。

它還有助於擴大整個系統的動態範圍，穩定測量和通信，同時抑制過高的輸入訊號。由於超出測量儀器的輸入範圍會導致故障，因此引入衰減器可以提高安全性和可靠性。

它們也被視為高頻電路和光通訊等領域的重要元素，能夠實現準確的數據採集，同時降低雜訊和失真。

所要設定的衰減水準取決於系統需求，因此需要檢查規格中指示的頻帶和最大輸入功率，並選擇最佳產品。

衰減器類型

衰減器有多種類型。了解每種設備的特點將有助於您避免在選擇設備時犯錯。

最常見的類型如下。

• 固定衰減器
• 可變衰減器
• 光衰減器

固定衰減器

固定衰減器是一種從安裝時起就以固定衰減量抑制訊號的設備。它透過特定的預設值（例如“10dB”或“20dB”）來衰減訊號。

它具有內建電阻網絡，可在特定頻帶提供穩定的衰減性能。由於其結構簡單，許多裝置體積小、經濟，並且還具有優良的電氣穩定性。

它們通常在各種環境中永久使用，例如在通訊設備和測量設施中，並且被選中以優化特定的電路設計。它具有很高的耐用性，並能處理從低到高的各種頻率。使用固定類型的優點是始終可以獲得恆定的衰減量，從而導致測量結果具有高度的可重複性。

然而，如果需要改變衰減，則必須更換設備本身。

可變衰減器

可變衰減器是一種靈活的設備，可以逐步或連續調整衰減量。只需轉動撥盤或切換開關，您就可以根據需要輕鬆地將衰減量變更為 5dB、10dB、20dB 等。

這些特性使它們特別適用於測量條件經常變化的研究設施和實驗環境，它們也被廣泛用作各種測試設備的一部分。

可變類型的優點在於可以根據使用情況即時設定最佳衰減量。產品類型有兩種：一種是可以在預定值上逐步調整的階梯型，另一種是可以在任意值上平穩調整的連續型。

但要實現這種可調節性，其結構較固定式更複雜，增加了製造成本，體積往往會變大。特別是在高頻範圍內的設計技術難度高，兼具優異的衰減特性和頻率特性的產品精度越高，價格就越高。

光衰減器

光衰減器是光通訊系統中用來控制透過光纖傳播的光訊號強度的專用設備。與電訊號衰減不同，它透過調整光透射率本身來發揮作用。這些設備主要有兩種類型：連接到光纖末端的固定衰減類型，以及可以根據需要調整透射率的可變類型。

在長距離光通訊中，當過強的光訊號到達接收器時，接收部分就會飽和，導致測量精度下降和通訊品質下降。光衰減器在防止此類問題發生方面發揮重要作用。

光衰減器的基本結構是使用特定的光濾波器來阻擋一定量的光。另一方面，可變產品的特點是使用更為複雜的技術，例如透過機械改變光的路徑來調整衰減量的機制，或利用光的偏振特性的衰減方法。

光衰減器的應用不僅限於光通訊網路中的訊號調節，它們也是各種光學測量儀器校準過程中不可或缺的元件。它被定位為任何需要精確控制光訊號的光學系統中的關鍵基礎技術。

衰減器的作用

削弱訊號的衰減器不僅僅是一個降低輸出電平的設備。它們扮演著多種角色，從保護設備到獲取準確數據。

衰減器的主要作用有：

• 調整訊號電平
• 阻抗匹配
• 過載保護

我們將詳細解釋每一個。

調整訊號電平

衰減器是一種將輸入訊號強度降低到適當水平的設備，以便接收器在最佳條件下運作。過大的輸入訊號會造成接收器內部飽和和波形失真，顯著降低測量結果的準確性。透過在訊號路徑中插入衰減器，可以將訊號強度降低到接收器和各種測量儀器可以準確處理的範圍。

例如，在使用頻譜分析儀進行頻率分析時，如果輸入訊號太強，則顯示的振幅值就會不準確，從而難以進行正確的測量。透過使用衰減器，可以防止波形失真並檢查準確的頻率特性。

在實驗現場，如果測量對象的輸出每天都在變化，也需要調整。減少多餘的訊號可降低損壞昂貴設備的風險。

阻抗匹配

衰減器也起著匹配發射和接收電路特性阻抗的作用。對於高頻訊號，如果阻抗不匹配，就會發生反射，寶貴的功率就會返回，從而造成問題。

衰減器的特點是具有利用電阻器和其他電路元件適當調整訊號路徑的特性阻抗的功能。

在高頻範圍內，即使是輕微的阻抗不匹配也會在某些頻率上引起明顯的訊號反射，這會對通訊品質和測量精度產生嚴重的不利影響。衰減器透過衰減訊號來減輕這些微小的不匹配現象。

在多個設備級聯的複雜系統中，正確放置衰減器可以優化整個系統的阻抗匹配，同時最大限度地減少訊號能量損失。

過載保護

過大的功率會對訊號源和接收器造成嚴重損壞。如果輸入超出這些限制，昂貴的傳感器和電路可能會損壞。

在這些情況下，衰減器透過適當衰減多餘的能量作為保護裝置。透過將過強訊號降低到安全水平，可以保護關鍵的測量和通訊設備。

必須仔細考慮測量儀器和接收器的功率預算，特別是在涉及高功率無線電發射器或高能量雷射系統的環境中。透過在系統中加入衰減器，即使在處理高輸出設備時也能確保安全。

可以說，衰減器對於確保整個系統的穩定運作是不可或缺的。

在光通訊的應用

在光通訊中，透過光纖傳輸雷射來交換大量資料。如果光訊號太強，就會使接收器飽和，從而偵測到錯誤的資料。因此，有必要引入光衰減器並設計一種方法來將光強度調整到最佳水平。

在長距離通訊中，光源的輸出功率必須很高，以考慮訊號衰減；然而，在短距離通訊中，強度可能過大並給接收器帶來負擔。

透過使用可變光衰減器，可以根據傳輸距離和連接設備的特性靈活調整衰減量，從而始終保持最佳訊號水平。

在許多光網路中，光衰減器內建於每個模組中並精心管理。正確使用光衰減器對於提高光通訊系統的可靠性和優化性能至關重要，它們已成為支撐現代通訊基礎設施處理數據流量快速增長的關鍵技術。

放大器的定義和作用

衰減器是一種故意削弱訊號的設備，而放大器是一種向輸入訊號增加能量，增加其電壓或功率的設備。放大器給輸入訊號增加能量，從而增加其電壓或功率。從音訊設備到通訊設備等各個領域都需要它。

處理弱感測器訊號時，通常會出現拾取的電壓太小以至於不使用放大器就無法測量的情況。例如，生物醫學測量和天氣觀測處理的是非常微小的訊號，這些訊號幾乎與雜訊處於相同的水平。放大器用於將訊號增強到適當的範圍，以便進行可視化和處理。

放大器在通訊技術領域也發揮著重要作用。特別是在長距離傳輸中，訊號會在傳輸介質中自然衰減，因此必須定期進行放大。光通訊系統中光放大器的發展成為一項革命性的技術，大大延長了中繼器之間的距離，使連接各大洲的超長距離光纖通訊成為可能。

擴大機類型

根據放大器處理的頻率、工作原理和用途，放大器可分為多種類型。舉例來說，運算放大器 (op-amp) 是一種多功能電子元件，可放大弱訊號並執行類比計算。

功率擴大機用於需要大輸出的場合，例如驅動揚聲器的音訊功率擴大機。

射頻放大器（RF放大器）用於使用高頻的場合。它們在無線通訊設備和雷達中發揮重要作用，並且必須設計以適應頻帶。另一方面，引入低噪聲放大器（LNA）來最大限度地減少噪聲，特別是在弱訊號的接收階段。

選擇放大器時，必須仔細考慮許多因素，包括增益、頻率響應、雜訊性能、線性度和功率效率。請小心，因為錯誤的選擇會增加訊號失真或雜訊放大的風險。

其他測量元件

衰減器和放大器並不是測量和通訊中使用的唯一元件。測量元件多種多樣，每個元件都會影響整個系統的準確性和穩定性。

• 耦合器（定向耦合器）
  這是一個用於分離部分訊號的設備。
  它用於監視發射的波形並測量反射波。
• 篩選
  它只允許所需的頻率通過並阻止不需要的頻率。
  有隻讓低頻成分通過的低通濾波器，也有隻讓高頻成分通過的高通濾波器。
• 循環器
  這是一個高頻元件，它只允許電流向一個方向流動，而不允許電流向相反方向流動。
  當使用天線進行發送和接收時這很有用。
• 功率計
  準確測量訊號功率以了解系統的運作。
  當與衰減器結合時，它還可以覆蓋高輸出測量範圍。

透過適當組合，可以實現高品質的通信，同時最大限度地減少測量誤差。

摘要

這些設備有很多不同的類型，選擇最適合您的特定應用和要求的設備非常重要。

了解不同類型的功能和應用將幫助您選擇最適合您的環境和要求的設備。

在實際系統設計中，通常使用衰減器和放大器的組合。實現兩者之間的適當平衡將導致訊號電平優化、阻抗匹配改善以及整體系統性能提高。

使用其他測量元件和輔助設備可以實現更精確的測量和穩定的通訊。透過正確理解衰減器和放大器的工作原理並將它們結合到正確的位置，許多應用可以擴展。