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 .
Параметрический усилитель
радиоэлектронное устройство, в котором усиление сигнала по мощности осуществляется за счёт энергии внешнего источника (так называемого генератора накачки), периодически изменяющего ёмкость или индуктивность нелинейного реактивного элемента электрической цепи усилителя. П. у. применяют главным образом в радиоастрономии (См. Радиоастрономия), дальней космической и спутниковой связи и радиолокации (См. Радиолокация) как малошумящий усилитель слабых сигналов, поступающих на вход радиоприёмного устройства, преимущественно в диапазоне СВЧ. Чаще всего в П. у. в качестве реактивного элемента используют Параметрический полупроводниковый диод (ППД). Кроме того, в диапазоне СВЧ применяют П. у., работающие на электроннолучевых лампах, а в области низких (звуковых) частот -П. у. с ферромагнитным (ферритовым) элементом. Наибольшее распространение получили двухчастотные (или двухконтурные) П. у.: в сантиметровом диапазоне - регенеративные «отражательные усилители с сохранением частоты» (рис.
, а), на дециметровых волнах - усилители - преобразователи частоты (рис.
, б) (см. Параметрическое возбуждение и усиление электрических колебаний). В качестве приёмного колебательного контура и колебательного 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 (См. Объёмный резонатор),
внутри которых располагают ППД.
В генераторах накачки применяют Лавинно-пролётный полупроводниковый диод , Ганна диод , варактор ный Умножитель частоты и реже отражательный Клистрон . Частота накачки и «холостая» частота выбираются в большинстве случаев близкими к критической частоте f
kp ППД (т. е. к частоте, на которой П. у. перестаёт усиливать); при этом частота сигнала должна быть значительно меньшей f
kp . Для получения минимальных шумовых температур (См. Шумовая температура) (10-20 К и менее) применяют П. у., охлаждаемые до температур жидкого азота (77 К), жидкого гелия (4,2 К) или промежуточных (обычно 15-20 К); у неохлаждаемых П. у. шумовая температура 50-100 К и более. Максимально достижимые коэффициент усиления и полоса пропускания П. у. определяются в основном параметрами реактивного элемента. Реализованы П. у. с коэффициентами усиления мощности принимаемого сигнала, равными 10-30 дб,
и полосами пропускания, составляющими 10-20% несущей частоты (См. Несущая частота) сигнала. Лит.:
Эткин В. С., Гершензон Е. М., Параметрические системы СВЧ на полупроводниковых диодах, М.. 1964; Лопухин В. М., Рошаль А. С., Электроннолучевые параметрические усилители, М., 1968; СВЧ - полупроводниковые приборы и их применение, пер. с англ., М., 1972; Копылова К. Ф., Терпугов Н. В., Параметрические емкостные усилители низких частот, М., 1973; Penfield P., Rafuse R., Varactor applications, Camb. (Mass.), 1962. В. С. Эткин.
Эквивалентные схемы параметрических усилителей: а - регенеративного; б - «с преобразованием частоты вверх»; u вх - входной сигнал с несущей частотой f c , u н - напряжение «накачки»; u вых1 - выходной сигнал с несущей частотой f c ; u вых2 - выходной сигнал с несущей частотой (f c + f н); Tp 1 - входной трансформатор; Тр 2 - выходной трансформатор; Тр 2 - трансформатор в цепи «накачки»; Д - параметрический полупроводниковый диод; L - катушка индуктивности колебательного контура, настроенного на частоту (f c + f н); Ф с, Ф сн, Ф н - электрические фильтры, имеющие малое полное сопротивление соответственно при частотах f c , (f c + f н), f н и достаточно большое при всех других частотах.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Смотреть что такое "Параметрический усилитель" в других словарях:
Радиоэлектронноеустройство, в к ром усиление сигнала по мощности осуществляется за счётэнергии внеш. источника (т. н. генератора накачки), периодическиизменяющего ёмкость или индуктивность нелинейного реактивного элементаэлектрич. цепи усилителя … Физическая энциклопедия
Большой Энциклопедический словарь
параметрический усилитель - — Тематики электросвязь, основные понятия EN parametric amplifier …
Усилитель электрических колебаний, в котором основным (усилительным) элементом чаще всего служит варикап. По сравнению с обычными усилителями имеет существенно более низкий уровень собственных шумов. Применяется для усиления слабых сигналов… … Энциклопедический словарь
параметрический усилитель - parametrinis stiprintuvas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. parametric amplifier vok. Parameterverstärker, m; parametrischer Verstärker, m rus. параметрический усилитель, m pranc. amplificateur paramétrique, m … Automatikos terminų žodynas
параметрический усилитель - parametrinis stiprintuvas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. parametric amplifier vok. parametrischer Verstärker, m rus. параметрический усилитель, m pranc. amplificateur paramétrique, m … Fizikos terminų žodynas
Усилитель электрич. сигналов, в к ром мощность сигнала увеличивается за счёт энергии источника, периодически изменяющего значение реактивного параметра системы (обычно ёмкости). П. у. отличается очень малым уровнем внутр. шумов. Используется в… … Большой энциклопедический политехнический словарь
параметрический усилитель света - parametrinis šviesos stiprintuvas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. light parametric amplifier vok. Lichtparameterverstärker, m rus. параметрический усилитель света, m pranc. amplificateur paramétrique de lumière, m … Radioelektronikos terminų žodynas
электронно-лучевой параметрический усилитель - ЭПУ Прибор СВЧ на быстрой циклотронной волне, в котором усиление поперечной кинетической энергии электронного потока осуществляется в резонаторе накачки, расположенном между входным и выходным устройствами связи. [ГОСТ 23769 79] Тематики приборы… … Справочник технического переводчика
Электронно- лучевой параметрический усилитель - 61. Электронно лучевой параметрический усилитель ЭПУ Electron beam parametric amplifier Прибор СВЧ на быстрой циклотронной волне, в котором усиление поперечной кинетической энергии электронного потока осуществляется в резонаторе накачки,… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
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.
Было выяснено, что при определенных условиях параметрические элементы способны играть роль активных элементов в цепи. Это позволяет на их основе создаватьпараметрические усилители , которые имеют низкий уровень собственных шумов, так как в них нет шума тока за счет дробового эффекта. Параметрические усилители в основном применяют в СВЧ-диапазоне как входные каскады радиоприемных устройств с высокой чувствительностью.
В 50-х годах 20 века были сконструированы первые полупроводниковые параметрические диоды (варакторы ). Параметрически управляемые нелинейные емкости и индуктивности изучались в п. 2.3.
Одноконтурный параметрический усилитель. Принципиальная схема такого усилителя показана на рис. 6.8, а, а эквивалентная - на рис. 6.8, б.
Зависимость
параметрической емкости от гармонического
сигнала накачки на частоте
:
Проводимость
вносится в эквивалентную схему усилителя
параметрическим изменением емкости
сигналом накачки. Входной сигнал –
генератор гармонического тока с
амплитудой
,
частотой
и внутренней проводимостью
.,
- проводимость нагрузки. Для реализации
параметрического усиления с максимальным
выделением мощности на проводимости
нагрузки надо выполнить условия:
(6.27)
где
;
(6.29)
так как амплитуда
напряжения на зажимах генератора равна
,
а в нагрузке выделяется активная мощность
.
Если сигнала накачки нет, то в нагрузке выделяется мощность
(6.30)
причем
,
так как
.
Номинальным коэффициентом усиления мощности параметрического усилителя называется величина
(6.31)
например, если
См,
См, то.
Критическое значение вносимой отрицательной проводимости, когда параметрический усилитель теряет устойчивость и самовозбуждается,
(6.32)
В условиях (6.32)
отрицательная проводимость варактора
полностью компенсирует сумму проводимостей
входного генератора и нагрузки.
Параметрический усилитель работает
устойчиво, если
,
если же
,
то усилитель самовозбуждается и
превращается в параметрический
автогенератор.
Пусть фазовые
соотношения колебаний входного сигнала
и накачки оптимальны так, что в (6.27)
.
Тогда из (6.27) и (6.32) находим критическую
глубину модуляции параметрической
емкости сигналом накачки:
(6.33)
Рассмотрим параметрическое
усиление в режиме расстройки. Условие
синхронизма:
,
точно выполнить практически невозможно.
Пусть
- расстройка частоты входного сигнала,
то есть
.
Если
,
то усилитель работает васинхронном
режиме.
Тогда величина фазового сдвига
,
определяющая вносимую в контур
проводимость, зависит от времени:.
Вносимое сопротивление изменяется как
(6.34)
периодически меняя знак на противоположный со временем.
В результате наблюдаются глубокие изменения уровня выходного сигнала, подобные биениям. Данный недостаток препятствует применению одноконтурных усилителей на практике.
Двухконтурный параметрический усилитель. От указанного недостатка свободендвухконтурный параметрический усилитель , схема которого показана на рис. 6.9.
Усилитель состоит из
двух колебательных контуров, один из
которых настроен на частоту
.
Этот контур называетсясигнальным.
Другой контур, называемыйхолостым,
настроен нахолостую частоту
.
Связь между контурами достигается
посредством параметрической емкости
варактора. Сигнал накачки изменяет
параметрическую емкость по гармоническому
закону на частоте накачки
:
Оба колебательных контура – сигнальный и холостой – высокодобротные. Поэтому в стационарном режиме напряжения на этих контурах – приближенно гармонические:
(6.36)
Согласно рис. 6.9,
напряжение на варакторе
.
Тогда ток через варактор
(6.37)
Так как
,
то спектр сигнала (6.37) содержит составляющие
на частоте сигнала
,
на холостой частоте
,
а также на комбинационных частотах
и
.
Варактор и холостой контур, подсоединенные
последовательно к сигнальному контуру,
можно заменить на эквивалентной схеме
проводимостью, вносимой в сигнальный
контур. Чтобы найти эту проводимость,
надо выделить в (6.37) составляющую тока
на частоте сигнала:
В (6.38) первое слагаемое
сдвинуто относительно напряжения
по фазе на
.
Поэтому за счет него нет внесения
активной проводимости в сигнальный
контур. Второе слагаемое на частоте
сигнала
пропорционально амплитуде
напряжения на холостом контуре. Найдем
величину
.
Для этого выделим в токе варактора
(6.37) полезную составляющую на холостой
частоте, пропорциональную
:
(6.39)
Пусть
- резонансное сопротивление холостого
контура. Напряжение на нем, вызванное
колебаниями на частоте
,
откуда, сопоставляя со вторым выражением в (6.36), получаем:
(6.41)
Подставим выражения (6.41) во второе слагаемое в (6.38). Получим выражение полезной составляющей тока на частоте сигнала за счет влияния варактора и холостого контура:
Проводимость, вносимая в сигнальный контур последовательным соединением варактора и холостого контура,
(6.43)
оказывается активной и отрицательной.
Далее можно рассчитать номинальный коэффициент усиления двухконтурного параметрического усилителя по формуле (6.31). Анализ устойчивости работы двухконтурного усилителя проводят так же, как и для одноконтурного усилителя. Сопоставим друг с другом выражение
(6.27)
для одноконтурного
усилителя и (6.43) – для двухконтурного
усилителя, получим, что в двухконтурном
усилителе вносимая проводимость, в
отличие от одноконтурного усилителя,
не зависит от начальных фаз входного
сигнала и накачки. Кроме того, двухконтурный
усилитель, в отличие от одноконтурного
усилителя, некритичен к выбору частот
сигнала
и накачки
.
Вносимая проводимость будет отрицательна,
если
.
Вывод. Двухконтурный усилитель способен работать при произвольном соотношении частот сигнала и накачки независимо от начальных фаз этих колебаний. Этот эффект обусловлен использованием вспомогательных колебаний, возникающих на одной из комбинационных частот.
Баланс мощностей в многоконтурных параметрических системах. Нечувствительность к фазовым соотношениямпозволяет изучать: многоконтурные параметрические системы на основе энергетических соотношений. Эквивалентная схема двухконтурного параметрического усилителя показана на рис. 6.10.
Здесь параллельно
нелинейной емкости
включены три двухполюсника. Два из них
содержат источники сигнала и накачки,
а третий образует холостой контур,
настроенный на комбинационную частоту
,
где
и
- целые числа. Каждый из трех двухполюсников
содержит узкополосный фильтр, настроенный
на частоты
,
и
,
соответственно. Упрощая задачу, считаем,
что цепи сигнала и накачки не имеют
омических потерь. Если одного из
источников (сигнала или накачки) нет,
то составляющие на комбинационных
частотах в токе, протекающем через
нелинейный конденсатор, отсутствуют.
Ток холостого контура равен нулю. Система
ведет себя как реактивная, то есть в
среднем не потребляет мощности источника.
Если есть оба источника,
то появляются составляющая тока на
комбинационной частоте
.
Этот ток может замыкаться через холостой
контур. Нагрузка холостого контура в
среднем потребляет мощность. В цепях
сигнала и накачки появляются активные
части сопротивлений. Их значения и знаки
определяются перераспределением
мощностей между источниками. Применим
к автономной (замкнутой) системе рис.
6.10 закон сохранения энергии: средние
(по периодам соответствующих колебаний)
мощности сигнала, накачки и комбинационных
колебаний связаны как
(6.44)
Средняя мощность
выражается через энергию
,
выделяемую за период:
где
- частота.
где
,
и
,
или
Выполнение (6.45)
независимо от выбора частот
и
возможно лишь тогда, когда
(6.47)
В (6.47) перейдем от энергий к мощностям, получим уравнения Мэнли-Роу :
(6.48)
Уравнения Мэнли-Роу позволяют изучать закономерности преобразования мощностей в многоконтурных параметрических системах. Изучим два характерных случая.
Параметрическое
усиление с преобразованием частоты
“вверх”.
Пусть в (6.48)
.
Имеем:
(6.49)
Мощность, выделяемая
в нагрузке, - положительная, а мощность,
отдаваемая в цепь генератором, -
отрицательная. Так как в (6.49)
,
то
и
(см. рис. 6.11).
Вывод.
Если холостой
контур параметрического усилителя
настроен на комбинационную частоту
,
то оба источника – сигнала и накачки,
отдают мощность холостому контуру, где
она потребляется в нагрузке. Так как
,
то коэффициент усиления мощности
(6.50)
Достоинство изучаемой системы – такая устойчивость, что она не может возбудиться ни при каких мощностях сигнала и накачки. Недостаток – частота выходного сигнала выше частоты входного сигнала. В СВЧ диапазоне это приводит к трудностям при обработке сигнала.
Регенеративное
параметрическое усиление.
Пусть
,
.
Тогда частота холостого контура
,
и
.
Уравнения Мэнли-Роу имеют вид:
(6.51)
Из первого уравнения
в (6.51) следует, что
и
.
Значит, некоторая часть мощности,
отбираемая от генератора накачки,
поступает в сигнальный контур. То есть,
в системе имеет месторегенерация на
частоте сигнала.
Выходную мощность
можно извлечь как из сигнального, так
и из холостого контура (см. рис. 6.12)..
Из
уравнений (6.51) нельзя определить
коэффициент усиления системы. Так как
мощность
содержит в себе как часть, потребляемую
от входного генератора, так и часть,
возникающую за счет эффекта регенерации.
При определенных условиях в таких
усилителях имеется склонность к
самовозбуждению. Тогда в сигнальном
контуре выделяется мощность даже в
отсутствие полезного сигнала на входе.
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.
