Двухконтурный параметрический усилитель. Полупроводниковые параметрические усилители Усилители электрических сигналов параметрическое усиление

Рассмотрим конденсатор с переменной ёмкостью

,

меняющейся под действием напряжения накачки u н (t ) = U н cos(w н t ). Пусть к этому конденсатору приложено переменное напряжение u С (t ) = U 1 cos(w 1 t + j ), тогда емкостной ток составит

Таким образом, в спектре тока имеются компоненты с частотами w 1 , w н + w 1 и w н - w 1 . Эти частоты можно выделить с помощью достаточно высокодобротных контуров, настроенных на частоты w 1 и w 2 = w н ± w 1 и связанных общей нелинейной ёмкостью (рис. 65).

Полное сопротивление потерь в первом контуре будет R 1 = R " 1 ||R i (где R i - внутреннее сопротивление источника сигнала). Пусть этот контур настроен на частоту близкую к частоте усиливаемого сигнала, т. е. n 1 » w 1 . Соответственно, второй контур L 2 C 2 R 2 настроен на частоту w 2 = w н ± w 1 (n 2 » w 2). Рассмотрим случай, когда парциальные частоты n 1 и n 2 контуров далеки друг от друга так, что связанность мала. В этом случае нормальные частоты близки к парциальным (сдвиг между парциальной и соответствующей нормальной частотами небольшой и мы можем считать, что он лежит в полосе пропускания контуров, т. е. каждый контур резонирует на своей собственной частоте). Таким образом, свою частоту контур резко усилит, остальные ослабит.

При достаточно высокой добротности контуров сопротивления каждого контура для частот, далёких от его парциальной частоты, практически равны нулю. Таким образом, контур является активной нагрузкой лишь в небольшой области частот вблизи своей парциальной частоты. В рассматриваемой нами схеме в основном контуре активная мощность может выделяться только на частоте w 1 , а в дополнительном - на одной из частот w 2 = w н ± w 1 . Таким образом, раз мы в каждом контуре можем следить только за одной частотой, то для этих частот запишем уравнения гармонического баланса

(7.20)

Пусть в качестве нелинейной ёмкости взят варикап. Тогда, как известно,

.

Поскольку u C = u 1 + u н - u 2 , тогда в рамках гармонического баланса мы должны положить u н = A н cos(w н t ), u 1 = A 1 cos(w 1 t + y 1), u 2 = A 2 cos(w 2 t + y 2) (фазы y 1 и y 2 отсчитаны от напряжения накачки). Подставляя эти выражения в выражение для заряда, получим соотношения для составляющих заряда на ёмкости C на частотах w 1 и w 2:

В этом случае уравнение гармонического баланса (7.20) при воздействии гармонического сигнала i 1 = I 1 cos(w 1 t + j ) принимает вид:

,	(7.21)
.	(7.22)

Немного упростим эти выражения, введя парциальные частоты n 1 и n 2 , расстройки x 1 и x 2 , добротности Q 1 и Q 2 контуров усилителя:

,  ;  ,  ;

,  .

Тогда в этих обозначениях уравнение (7.21) примет вид

Полученное соотношение должно выполняться в любой момент времени, поэтому в нём следует приравнять в правой и левой частях коэффициенты при cos(w 1 t + y 1) и sin(w 1 t + y 1). Положим в правой части j = y 1 + (j - y 1); ±y 2 = y 1 + (±y 2 - y 1), тогда после простых тригонометрических преобразований правой части, получим

Возведём в квадрат (7.25) и (7.26) и сложим, тогда можно получить

Напомним, что верхний знак соответствует случаю w 2 = w н + w 1 , а нижний - w 2 = w н - w 1 . Полученное выражение показывает, что амплитуда параметрического усилителя с низкочастотной накачкой (w н = w 2 - w 1) существенно отличается от амплитуды усилителя с высокочастотной накачкой (w н = w 2 + w 1). Рассмотрим теперь отдельно каждый из этих случаев.

В первом случае (при преобразовании вверх) точный максимальный сигнал будет достигнут в результате точной настройки контуров, т. е. x 1 = x 2 = 0. В этом случае амплитуды колебаний в первом и втором контурах:

,  .	(7.29)
Рис. 66. Зависимость амплитуд A 1 и A 2 от амплитуды накачки A н при точной настройке контуров усилителя.	На рис. 66 изображена зависимость A 1 и А 2 от А н при точной настройке контуров усилителя. Из рисунка видно, что амплитуда колебаний в первом контуре монотонно уменьшается по мере увеличения амплитуды накачки. Таким образом, в этом случае усиления сигнала в первом контуре не происходит. Однако, амплитуда колебаний во втором контуре, пропорциональная амплитуде входного сигнала при А н < A 0 растёт с ростом А н . Поэтому в системе возможно усиление с преобразованием частоты вверх, если в качестве

выходного сигнала использовать колебания во втором контуре усилителя. Такой усилитель является нерегенеративным параметрическим усилителем с преобразованием частоты вверх. Определим коэффициент его усиления по мощности. Под коэффициентом усиления по мощности будем понимать отношение мощности на выходе усилителя к мощности входного сигнала, выделяемой на согласованной нагрузке. Если потери первого контура достаточно малы и R i << R " 1 , то R 1 » R i и источник входного сигнала i 1 отдаёт в согласованную нагрузку мощностьn 1 = n 2 . Таким образом, увеличение по мощности связано только с увеличением частоты квантов, а не их числа, поэтому шумы такого усилителя минимальны и он довольно устойчив.

Усилитель же с преобразованием частоты вниз (w 2 = w н - w 1) является обычным регенеративным усилителем и не даёт никаких преимуществ по сравнению с регенеративным режимом одноконтурного усилителя.

Параметрическим усилителем (ПУ) называется устройство, содержащие колебательный контур, в котором под воздействием внешнего источника (генератора накачки) изменяется энергоёмкий параметр (ёмкость или индуктивность). И за счёт соответствующей организации колебательной системы осуществляется усиление сигнала.

Рассмотрим систему, состоящую из двух заряженных пластин, представляющих собой некую емкость.

Величина заряда этой ёмкости:

Принудительное изменение ёмкости можно представить как изменение (например, увеличение) расстояния между пластинами. Вследствие того, что ёмкость не замкнута, величина заряда будет постоянной, а напряжение , будет увеличивается. В этом случае будет возрастать энергия заряда ёмкости, равная , и энергия (являющаяся, своего рода, источником питания) затраченная на изменение расстояния между обкладками конденсатора трансформируется в энергию заряда. Следовательно, произойдёт увеличение мощности, выделяемой таким конденсатором при разряде через некоторую нагрузку, то есть усиление.

Подобным же образом функционирует и параметрический усилитель. Источником питания (или энергии для изменения ёмкости) для него служит некий высокочастотный генератор накачки, модулирующий ёмкость или индуктивность какого-либо элемента колебательного контура. При таком изменении энергоёмкого параметра в колебательном контуре возникает отрицательное электрическое сопротивление, поэтому параметрические усилители являются разновидностью регенеративных усилителей. Регенеративный усилитель, это усилитель с положительной обратной связью, которая сопровождается внесением в сигнальную цепь отрицательной проводимости. С энергетической точки зрения внесение в сигнальную цепь отрицательной проводимости соответствует перекачке в неё энергии от источника питания усилителя, что позволяет обеспечить усиление по мощности.

Различают полупроводниковые, ферритовые и электроннолучевые ПУ. Полупроводниковые ПУ (ППУ), построенные на основе параметрических диодов (варикапов), получили наибольшее распространение благодаря таким параметрам как небольшая мощность генератора накачки и возможность микроминиатюризации.

Основным элементом ППУ является параметрический диод (ПД), представляющий собой обратно смещённый p-n переход, включенный соответствующим образом в колебательную систему, на который подаётся постоянное напряжение смещения U СМ и напряжение от генератора накачки, создающее модуляцию ёмкости ПД.

Если на обратно смещённый p-n переход ПД подаётся напряжение накачки, что изменение ёмкости диода можно описать выражением

где М 1 =С 1 /С 0 , М 2 =С 2 /С 0 – глубины модуляции ёмкости ПД по соответствующим гармоникам частоты накачки.

Глубина модуляции ёмкости зависит от напряжения накачки и может быть определена по вольт-фарадной характеристике ПД. Причём чем больше глубина модуляции, тем больше отрицательное сопротивление вносится в схему.

Вследствие нелинейной зависимости ёмкости ПД от приложенного напряжения в ней могут возникать токи различных комбинационных частот f m,n =mf н + nf c , где m, n – целые числа.

Если ёмкость не имеет потерь, то распределение мощностей по комбинационным частотам определяется соотношением Мэнли-Роу:

	}

где P m,n – мощность на частоте f m,n .

Анализ этого равенства позволяет сделать ряд выводов о свойствах параметрических усилителей. Например, в случае, когда нелинейная ёмкость связывает колебательные цепи, настроенные на частоты f с, f н и f 1,1 = f с + f н = f + , то, учитывая соотношения Мэнли-Роу получаем

И если в нелинейную ёмкость мощность поступает на частотах f с и f н, то она выделяется на частоте f + , причём при P с =0 и P + =0, т.е. система оказывается нерегенеративной. При этом максимальный коэффициент усиления

Параметрические усилители такого типа называют стабильными повышающими преобразователями. Их применение ограничивается тем, что при усилении сигналов диапазона СВЧ трудно добиться больших коэффициентов усиления, т.к. f + и f н оказываются очень высокими.

Рассмотрим пример, когда нелинейная ёмкость связывает колебательные цепи, настроенные на частоты f с, f н и f 1,-1 = f с – f н = f – , то, учитывая соотношения Мэнли-Роу получаем

,

Поскольку цепи частот f с и f – с точки зрения параметрического воздействия энергетически эквивалентны, мощность генератора накачки перекачивается в обе эти цепи, или, иначе говоря, отрицательное сопротивление вносится как на частоте f с, так и на частоте f –. Следовательно, усилитель такого типа является регенеративным и может обеспечить сколь угодно высокое усиление.

В зависимости от соотношения частот f с и f – = f с – f н резонансы могут быть в различных колебательных системах, либо, если f с » f – , – в одной колебательной системе. В первом случае усилитель называют двухконтурным, во втором – одноконтурным.

В теории регенеративных усилителей было показано, что усилители такого типа могут выполнятся по двум схемам – «на проход» и «на отражение». Последние при прочих равных условиях позволяют получить большее произведения усиления на полосу пропускания при меньшем коэффициенте шума, что определяет целесообразность их практического использования.

В настоящее время наибольшее распространение получили двухконтурные ППУ отражательного типа, поскольку они в отличие от одноконтурных не требуют жёсткой фазировки частот сигнала и накачки и позволяют реализовать низкие шумовые температуры в сочетании с хорошей широкополосностью.

Возможно построение ППУ, который будет осуществлять не только усиление сигнала, но и перенос его частоты, при этом генератор накачки выполняет так же роль гетеродина. В этом случае возможно преобразование частоты как в верх, т.е. с инверсией спектра, так и вниз, без инверсии .

Может быть, не каждый пытался поразмыслить над тем, что представляет собой усиление.

Мы не можем усилить электрические колебания, не затратив на это известную мощность. Усиленные колебания будут иметь большую амплитуду, их энергия возрастет. Излишек энергии не может возникнуть из ничего. Он должен быть введен извне.

Так в действительности и происходит. Усилитель не может работать без питания, без ввода в него энергии, причем энергия должна быть введена в систему так, чтобы имеющиеся в ней электрические колебания усилились. Ввод энергии должен происходить в такт с колебаниями, иначе существующие колебания можно не увеличить, а заглушить.

К новым видам усилителей относятся так называемые параметрические усилители. Познакомимся с их работой.

Колебательный контур состоит из катушки индуктивности и конденсатора. Величины индуктивности и емкости являются одними из параметров контура. Вспомним, чему равно напряжение на конденсаторе при подведении к нему какого-нибудь заряда. Оно равно:

где и - напряжение на конденсаторе; q - его заряд, а С - его емкость.

Напряжение прямо пропорционально величине заряда и обратно пропорционально емкости конденсатора. Из этого выражения вытекает, что для увеличения напряжения на конденсаторе необязательно увеличивать его заряд, т. е. сообщать ему дополнительную порцию электричества. Этого можно добиться также путем уменьшения емкости конденсатора.

Если в контуре происходят электрические колебания, то заряд и, следовательно, напряжение на конденсаторе изменяются синусоидально. Два раза в течение периода заряд на обкладках конденсатора будет наибольшим.

А что произойдет, если мы как раз в эти моменты уменьшим емкость конденсатора? Заряд конденсатора от этого не изменится, но напряжение на конденсаторе возрастет во столько же раз, во сколько раз уменьшилась емкость конденсатора.

Но увеличение напряжения на конденсаторе означает увеличение амплитуды колебаний, их усиление. Таким образом, для усиления колебаний в контуре можно в моменты наибольшего заряда конденсатора уменьшать его емкость, с тем чтобы в моменты полного разряда конденсатора возвращать емкость конденсатора к его начальной величине. Два раза в течение периода колебаний придется емкость увеличивать и 2 раза возвращать ее к исходному значению. Делать это надо в такт с колебаниями- точно в моменты наибольшего заряда и полного разряда - и в фазе с ними - уменьшать в моменты полного заряда и увеличивать в моменты полного разряда.

Пользуясь таким способом, можно усилить колебания в контуре. Так как усиление осуществляется путем изменения одного из параметров контура, то такой способ получил название параметрического усиления .

Естественно, что усиление и тут не происходит без затраты энергии. В конденсаторе между пластинами существует электрическое поле, и чтобы раздвинуть пластины, надо затратить известную энергию (равную .

Эта энергия увеличивает поле конденсатора, вследствие чего и возрастает напряжение на нем. В моменты полного разряда конденсатора увеличение его емкости до начальной величины не будет сопровождаться сообщением ему какой-либо дополнительной энергии, так как сближение пластин не встречает противодействия поля, которое отсутствует (другого рода потери энергии на восстановление начальной емкости конденсатора мы для простоты не учитываем).

Практическое осуществление параметрического усилителя не представляет особой сложности. Для этой цели можно воспользоваться, например, полупроводниковым диодом. У диода имеется запорный слой, в котором отсутствуют свободные носители зарядов. Этот слой находится между слоями различной проводимости. Таким образом, диод по существу представляет собой конденсатор. Расстояние между «пластинами» этого конденсатора, т. е. толщина запорного слоя, зависит от знака и величины напряжения в обоих слоях. При подведении напряжения в «прямом» направлении толщина слоя уменьшается, при подведении напряжения обратного значения она увеличивается. Изменяя напряжение на слоях диода, можно изменять нужным образом емкость «конденсатора», которым является диод. Диод представляет собой «конденсатор переменной емкости» у которого изменение емкости может управляться теми же колебаниями, которые надо усилить, а электропитание он получает от генератора, который часто называют генератором накачки.

Увеличение амплитуды колебаний, их усиление не могут быть бесконечны. По достижении некоторого предела устройство начнет генерировать колебания - превратится в параметрический генератор.

Современные диоды позволяют параметрическим усилителям работать на очень высоких частотах - до нескольких десятков тысяч мегагерц. Параметрические усилители характерны очень малыми собственными шумами. Если на запорный слой подать некоторое отрицательное смещение, то свободные носители зарядов будут в этом слое практически отсутствовать и шумы окажутся сведенными к незначительной величине.

Как заметил, наверное, читатель, у параметрических усилителей очень много общего с регенеративными усилителями. Это сходство простирается еще дальше. Возможно устройство своего рода «сверхрегенеративных» параметрических усилителей. Принципы действия сверхпараметрического и сверхрегенеративного усилителей по существу аналогичны. Параметрический усилитель определенное количество раз в секунду доводится до генерации, которая тут же гасится (так же работает и сверхрегенератор) . Параметрический сверхрегенератор позволяет усиливать мощность сигнала в некоторых случаях в десятки миллионов раз.

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ - радиоэлектронное устройство, в к-ром усиление сигнала по мощности осуществляется за счёт энергии внеш. источника (т. н. генератора накачки) , периодически изменяющего ёмкость или индуктивность нелинейного реактивного элемента электрич. цепи усилителя. П. у. применяют гл. обр. в радиоастрономии, дальней космич. и спутниковой связи и радиолокации как малошумящий усилитель слабых сигналов, поступающих на вход радиоприёмного устройства, преим. в СВЧ-диапазоне. Чаще всего в П. у. в качестве реактивного элемента используют параметрич. полупроводниковый диод (ППД). Кроме того, в СВЧ-диапазоне применяют П. у., работающие на электронно-лучевых лампах, в области низких (звуковых) частот - П. у. с ферромагн. (ферритовым) элементом.
Наиб. распространение получили двухчастотные (или двухконтурные) П. у.: в сантиметровом диапазоне - регенеративные усилители с сохранением частоты (рис., а) , на дециметровых волнах - усилители - преобразователи частоты (рис., б )(см. Параметрическая генерация и усиление электромагнитных колебаний) . В качестве приёмного колебат. контура и колебат. контура, настраиваемого на вспомогательную, или "холостую", частоту (равную чаще всего разности или сумме частот сигнала и генератора накачки), в П. у. обычно используют объёмные резонаторы , внутри к-рых располагают ППД.

Эквивалентные схемы параметрических усилителей: а - регенеративного; б - с преобразованием частоты "вверх"; u вх - входной сигнал с несущей частотой f с; u в - напряжение накачки; u вых - выходной сигнал с несущей частотой f с; иных:: - выходной сигнал с несущей частотой (f c + f н ); Tp 1 - входной трансформатор; Тр 2 - выходной трансформатор; Тр н - трансформатор в цепи накачки; Д - параметрический полупроводниковый диод; L - катушка индуктивности колебательного контура, настроенного на частоту (f н - f с); Фс, Ф cн, Ф н - электрические фильтры, имеющие малое полное сопротивление соответственно при частотах f с, (f с ± f н), f н и достаточно большое при всех других частотах.

В генераторах накачки применяют лавинно-пролётный диод, Ганна диод , варакторный умножитель частоты и реже отражат. клистрон. Частота накачки и "холостая" частота выбираются в большинстве случаев близкими к критич. частоте f кр ППД (т. е. к частоте, на к-рой П. у. перестаёт усиливать); при этом частота сигнала должна быть значительно меньшей f кр. Для получения мин. шумовых темп-р (10 - 20 К и менее) применяют П. у., охлаждаемые до темп-р жидкого азота (77 К), жидкого гелия (4,2 К) или промежуточных (обычно 15 - 20 К); у неохлаждаемых П. у. шумовая темп-ра 20 - 500 К и более. Максимально достижимые коэф. усиления и полоса пропускания П. у. определяются в осн. параметрами реактивного элемента. Реализованы П. у. с коэф. усиления мощности принимаемого сигнала, равными 10 - 30 дБ, и полосами пропускания, составляющими 10 - 20% несущей частоты сигнала.
П. у. вытесняются транзисторными малошумящими СВЧ-усилителями, как охлаждаемыми, так и неохлаждаемыми, однако продолжают использоваться в миллиметровом диапазоне радиоволн, где они всё ещё превосходят транзисторные усилители.

Из предыдущего параграфа следует, что введением в колебательный контур переменной емкости или индуктивности можно при соответствующем законе изменения параметра осуществлять усиление колебаний. Простейшая схема одноконтурного параметрического усилителя с переменной емкостью изображена на рис. 10.14, а. Нелинейная емкость находится под воздействием двух напряжений: сигнального с частотой и накачки с частотой .

Разделительные конденсаторы защищают генератор накачки и источник сигнала от постоянного напряжения используемого для установления рабочей точки на вольт-фарадной характеристике варикапа. Блокировочный дроссель преграждает путь в цепь источника токам высокой частоты .

Рассмотрим сначала режим работы усилителя при точном соблюдении условия . В этом, так называемом синхронном режиме комбинационная частота сон - совпадает с частотой так что в контуре существует ток только на частоте . Схема замещения для синхронного режима представлена на рис. 10.14, б для случая соответствующего отрицательной вещественной проводимости

Рис. 10.14. Одноконтурный параметрический усилитель (а) и схема замещения (б)

Символом обозначена сумма емкости конденсатора контура и средней емкости варикапа (соответствующей постоянному напряжению ).

Для упрощения анализа источник ЭДС сигнала , включенный в контур последовательно, заменен на рис. 10.15 генератором тока, подключенным параллельно контуру и шунтированным внутренней проводимостью G. Проводимость нагрузки включает в себя также проводимость, учитывающую потери мощности в элементах контура. Шунтирование проводимости нагрузки отрицательной проводимостью уменьшает суммарную проводимость и таким образом повышает добротность контура. Получается эффект усиления.

Составим выражение для коэффициента усиления в виде отношения мощности сигнала на выходе усилителя к максимальной мощности, которую можно получить при отсутствии параметрической модуляции. Как известно, максимум мощности, выделяемой в проводимости нагрузки (при отсутствии усиления), достигается при При этом мощность сигнала

(I - амплитуда тока генератора).

При подключении дополнительной проводимости напряжение на выходе будет , а мощность, выделяемая в проводимости нагрузки,

Отсюда коэффициент усиления мощности

Напомним, что - отрицательная величина.

Из этого выражения непосредственно вытекает условие устойчивости параметрического усилителя (в синхронном режиме)

откуда критическое значение коэффициента параметрической модуляции

где - добротность контура с учетом .

Заметим, что при , т. е. когда параметрическая модуляция компенсирует потери только в усиление по мощности равно всего лишь четырем.

Рис. 10.15. Одноконтурный параметрический усилитель (к схеме на рис. 10.14, а)

На практике при усилении реального сигнала, фаза которого не известна, а частота может изменяться в некоторой полосе, соблюдение условий синхронного режима невозможно. Пусть частота сигнала будет не точно а , где - небольшое отклонение, не выходящее из полосы прозрачности колебательного контура. Тогда комбинационная частота будет сон - ) При этом в полосе пропускания контура оказываются два колебания: одно с частотой (полезный сигнал) и другое с частотой (комбинационная частота).

Соотношение между амплитудами указанных двух колебаний зависит от глубины модуляции емкости и величины . Подробный анализ, который здесь не приводится, показывает, что при значениях , близких к критическому [см. (10.42), и относительно малой расстройке Q амплитуды обоих колебаний примерно одинаковы. Возникают биения и связанные с этим последствия (пульсация амплитуды и изменения фазы результирующего колебания). Можно, правда, показать, что даже при расхождении частот средняя за период биений мощность колебаний больше, чем при отсутствии параметрического воздействия, т. е. что и в этом, так называемом бигармоническом, режиме имеет место усиление сигнала. Однако подобный режим работы усилителя не всегда приемлем.

От недостатков, присущих одноконтурному параметрическому усилителю, свободна схема, рассматриваемая в следующем параграфе.