Un problema (e una soluzione) con MIL

Dieci anni fa, MIL-STD-461F ha aggiunto un'estensione a bassa frequenza al CS114 che modella il rumore in modo comune generato dai sistemi di alimentazione CC utilizzati sulle navi della Marina. Un generatore elettromeccanico genera un potenziale CC ad alta tensione, con livelli inferiori di potenza CC derivati ​​dal bus originale ad alto potenziale mediante conversioni CC-CC a stato solido. Tale conversione di potenza provoca grandi quantità di rumore di modo comune. L'estensione è un livello di 77 dBuA da 4 kHz a 1 MHz. Per supportare il nuovo requisito, la Figura CS114-2 è stata ampliata per controllare la perdita di inserimento del morsetto di iniezione inferiore a 10 kHz. Ma l’estensione era eccessivamente severa e, cosa ancora più importante, il concetto alla base dell’estensione non è il modo ottimale per eseguire il test alle frequenze audio. Il metodo ottimale utilizza pochi watt di potenza da una sorgente audio invece di 100 watt di potenza da una sorgente da 50 ohm, quest'ultima non essendo una tipica apparecchiatura di prova.

Analisi della curva di perdita di inserzione massima inferiore a 10 kHz

Lo scopo della curva di perdita di inserzione massima, come indicato nella corrispondente appendice MIL-STD-461, è il desiderio di limitare la potenza della pinza richiesta a 100 watt, una potenza nominale massima comune per tali apparecchiature. Ma un limite che esegue tale funzione al di sotto di 10 kHz è un’estensione log-lineare del limite da 10 – 100 kHz, non la diversa pendenza come nella presente Figura CS114-2. La Figura 1 riproduce la Figura CS114-2 che mostra il limite attuale con una sovrapposizione rossa tratteggiata di quello suggerito.

Figura 1: MIL-STD-461F/G Figura CS114-2 annotata per mostrare l'estrapolazione lineare del limite di perdita di inserzione in base all'induttanza magnetizzante

I limiti di perdita di inserzione della Figura CS114-2 superiori a 10 kHz racchiudono le prestazioni del modello 95236-1 Eaton (poi Tegam e ora ETS-Lindgren) al di sotto di circa 6 MHz e del modello 95242-1 al di sopra di tale frequenza. Questi erano i morsetti di iniezione disponibili negli anni '80, quando si sono evolute le tecniche di iniezione di cavi sfusi. L'attenuazione al di sotto di 100 kHz è di 20 dB per decade, riflettendo l'induttanza magnetizzante come fattore che causa l'attenuazione. Tale pendenza non cambia magicamente a 10 kHz e qualsiasi deviazione nella pendenza della perdita di inserzione massima consentita è problematica nella progettazione di morsetti conformi. La seguente semplice analisi mostra che la deviazione da 20 dB per decennio non è necessaria.

Calcoliamo la massima perdita di inserzione consentita che consentirà a un amplificatore da 100 watt di indurre 77 dBuA nel dispositivo di calibrazione, assumendo tutte le apparecchiature da 50 ohm (approccio classico CS114).

77 dBuA + 34 dB ohm = 111 dBuV

alle due estremità del dispositivo di calibrazione quando terminano a 50 ohm (34 dB ohm).

111 dBuV su 50 ohm equivalgono a 4 dBm utilizzando il fattore di conversione di 107 dB tra dBuV e dBm in una resistenza da 50 ohm.

La differenza tra i 4 dBm dissipati in ciascun carico da 50 ohm sul dispositivo di calibrazione e i 100 watt (50 dBm) disponibili dall'amplificatore è per definizione la massima perdita di inserzione consentita. Tale valore:

50 dBm – 4 dBm = 46 dB

si può vedere nella Figura CS114-2 annotata che cade esattamente sul limite massimo di perdita di inserzione estrapolato linearmente. Questo valore grafico concorda con il valore ottenuto utilizzando un'estrapolazione analitica utilizzando un'estrapolazione di 20 dB per decade dalla perdita di inserzione massima di 10 kHz di 38 dB:

38 dB + 20 log (10 kHz/4 kHz) = 46 dB

Quindi possiamo vedere che non è necessario alterare la curva da ciò che la fisica impone che debba essere – 46 dB – a un limite più severo di 43 dB secondo MIL-STD-461F/G Figura CS114-2.

Requisiti di alimentazione utilizzando apparecchiature di prova diverse da 50 Ohm

È raro vedere amplificatori di potenza da 50 ohm alle frequenze audio. È molto più comune vedere amplificatori audio con stadi di uscita configurati per pilotare resistenze di carico molto basse, ovunque da 2 a 8 ohm per gli amplificatori audio tradizionali. Gli amplificatori progettati per pilotare 2 – 8 ohm hanno un'impedenza di uscita pari ad una frazione dell'impedenza di carico; quella frazione è chiamata fattore di smorzamento e sarà un fattore dieci o anche superiore in un amplificatore di buona qualità.

Prima di descrivere la configurazione e la misurazione del test, è utile capire perché le apparecchiature audio a bassa impedenza funzioneranno molto meglio delle apparecchiature da 50 ohm al di sotto di 10 kHz. Dipende dall'impedenza presentata dal morsetto di iniezione a queste basse frequenze, come notato in precedenza, riflettendo l'induttanza magnetizzante. Si potrebbe misurare quell'induttanza, ma non è necessario. La perdita di inserzione di qualsiasi morsetto che soddisfa la Figura CS114-2 significa che l'impedenza del morsetto a 10 kHz è dell'ordine di 1 ohm. Da qui l'enorme carico (perdita di inserzione ~ 35 dB a 10 kHz) in un sistema da 50 ohm, ma dovrebbe essere immediatamente evidente che un sistema audio con un'impedenza di uscita dell'ordine di 1 ohm sarà molto più efficiente nell'immettere potenza nel morsetto e nel dispositivo di calibrazione carichi da 50 ohm.