Amplificatori parametrici a semiconduttore. Amplificatore parametrico a doppio loop Amplificazione parametrica degli amplificatori di segnali elettrici

Forse non tutti hanno provato a pensare a cosa costituisce il rinforzo.

Non possiamo amplificare le vibrazioni elettriche senza spendere una certa quantità di energia. Le oscillazioni amplificate avranno una grande ampiezza, la loro energia aumenterà. L'energia in eccesso non può venire dal nulla. Deve essere inserito dall'esterno.

Questo è come accade effettivamente. L'amplificatore non può funzionare senza potenza, senza immissione di energia in esso, e l'energia deve essere immessa nel sistema in modo tale che le oscillazioni elettriche presenti in esso siano amplificate. L'immissione di energia deve avvenire a tempo con le oscillazioni, altrimenti le oscillazioni esistenti possono essere smorzate anziché aumentate.

Nuovi tipi di amplificatori includono i cosiddetti amplificatori parametrici. Conosciamo il loro lavoro.

Il circuito oscillatorio è costituito da un induttore e un condensatore. I valori di induttanza e capacità sono uno dei parametri del circuito. Ricorda qual è la tensione ai capi del condensatore quando viene applicata una carica. È uguale a:

dove e - tensione sul condensatore; q è la sua carica e C è la sua capacità.

La tensione è direttamente proporzionale alla quantità di carica e inversamente proporzionale alla capacità del condensatore. Da questa espressione deriva che per aumentare la tensione sul condensatore non è necessario aumentarne la carica, cioè dargli una porzione aggiuntiva di elettricità. Ciò può essere ottenuto anche riducendo la capacità del condensatore.

Se si verificano oscillazioni elettriche nel circuito, la carica e, di conseguenza, la tensione ai capi del condensatore cambiano in modo sinusoidale. Due volte durante il periodo, la carica sulle piastre del condensatore sarà la più grande.

E cosa succede se proprio in questi momenti riduciamo la capacità del condensatore? La carica del condensatore non cambierà da questo, ma la tensione ai capi del condensatore aumenterà della stessa quantità in cui è diminuita la capacità del condensatore.

Ma un aumento della tensione sul condensatore significa un aumento dell'ampiezza delle oscillazioni, la loro amplificazione. Pertanto, per amplificare le oscillazioni nel circuito, è possibile ridurre la sua capacità nei momenti di massima carica del condensatore, in modo che nei momenti di piena scarica del condensatore, la capacità del condensatore possa essere riportata a il suo valore iniziale. Due volte durante il periodo di fluttuazione, la capacità dovrà essere aumentata e 2 volte riportata al suo valore originale. Questo dovrebbe essere fatto in tempo con le oscillazioni - esattamente nei momenti di massima carica e piena scarica - e in fase con esse - diminuire nei momenti di piena carica e aumentare nei momenti di piena scarica.

Utilizzando questo metodo, è possibile amplificare le oscillazioni nel circuito. Poiché l'amplificazione viene eseguita modificando uno dei parametri del circuito, viene chiamato questo metodoguadagno parametrico.

Naturalmente, l'amplificazione non avviene qui senza il dispendio di energia. In un condensatore tra le piastre c'è un campo elettrico, e per allontanare le piastre è necessario spendere un'energia nota (pari a.

Questa energia aumenta il campo del condensatore, a seguito della quale aumenta la tensione ai suoi capi. Nei momenti di scarica completa del condensatore, un aumento della sua capacità al valore iniziale non sarà accompagnato dalla comunicazione di energia aggiuntiva ad esso, poiché la convergenza delle piastre non incontra l'opposizione del campo, che è assente (per semplicità, non prendiamo in considerazione altri tipi di perdite di energia per ripristinare la capacità iniziale del condensatore).

L'implementazione pratica di un amplificatore parametrico non è particolarmente difficile. A tale scopo, è possibile utilizzare, ad esempio, un diodo a semiconduttore. Il diodo ha uno strato barriera in cui non ci sono portatori di carica gratuiti. Questo strato si trova tra strati di diversa conduttività. Quindi un diodo è essenzialmente un condensatore. La distanza tra le "piastre" di questo condensatore, ovvero lo spessore dello strato barriera, dipende dal segno e dall'entità della tensione in entrambi gli strati. Quando la tensione viene applicata nella direzione "avanti", lo spessore dello strato diminuisce, quando la tensione viene applicata nella direzione opposta, aumenta. Modificando la tensione sugli strati del diodo, è possibile modificare la capacità del "condensatore", che è il diodo, secondo necessità. Il diodo è un "condensatore variabile" in cui la variazione di capacità può essere controllata dalle stesse oscillazioni da amplificare, e riceve la sua potenza da un oscillatore, spesso chiamato generatore di pompa.

Un aumento dell'ampiezza delle oscillazioni, la loro amplificazione non può essere infinita. Al raggiungimento di un certo limite, il dispositivo inizierà a generare oscillazioni: si trasformerà in un generatore parametrico.

I moderni diodi consentono agli amplificatori parametrici di funzionare a frequenze molto alte, fino a diverse decine di migliaia di megahertz.Amplificatori parametricicaratterizzato da un rumore proprio molto basso. Se viene applicata una certa polarizzazione negativa allo strato barriera, non ci saranno praticamente portatori di carica gratuiti in questo strato e il rumore sarà ridotto a un valore insignificante.

Come il lettore avrà probabilmente notato, gli amplificatori parametrici hanno molto in comune con gli amplificatori rigenerativi. Questa somiglianza si estende ancora di più. Forse il dispositivo è una specie di amplificatori parametrici "super rigenerativi". I principi di funzionamento degli amplificatori superparametrici e superrigenerativi sono essenzialmente gli stessi. L'amplificatore parametrico viene portato in generazione un certo numero di volte al secondo, che si spegne immediatamente (il super rigeneratore funziona allo stesso modo). Il super-rigeneratore parametrico permette di amplificare la potenza del segnale in alcuni casi di decine di milioni di volte.

La capacità dei due terminali reattivi controllati, in determinate condizioni, di svolgere il ruolo di elementi del circuito attivo è servita come base per la creazione di un tipo speciale di dispositivi di ingegneria radio chiamati amplificatori parametrici. Questi amplificatori hanno trovato applicazione principalmente nella gamma delle microonde come stadi di ingresso di ricevitori radio altamente sensibili. Il principale vantaggio degli amplificatori parametrici è il basso livello di rumore intrinseco, che è associato all'assenza di fluttuazioni di corrente in essi contenuta.

Implementazione di elementi reattivi controllati parametricamente.

La possibilità di amplificazione parametrica dei segnali era prevista teoricamente all'inizio del secolo.

Tuttavia, l'implementazione plastica di questa idea è diventata possibile solo negli anni '50 dopo la creazione dei primi progetti di successo di fondi semiconduttori parametrici. Il funzionamento di questi diodi, detti anche varactor, si basa sul seguente effetto. Se viene applicata una tensione di polarità inversa alla giunzione del diodo, la carica divisa q nello strato di blocco è una funzione non lineare della tensione applicata u. La dipendenza è chiamata la caratteristica volt-coulomb di un tale condensatore non lineare. Quando la tensione cambia nella giunzione bloccata del fondo, si verifica una corrente di polarizzazione

Ecco la capacità differenziale del varactor, che è approssimativamente descritta dalla formula

dove k - coefficiente dimensionale; - differenza di potenziale di contatto.

Più la giunzione è bloccata, minore è la sua capacità differenziale.

I moderni varactor hanno caratteristiche molto avanzate e sono in grado di operare fino a frequenze di diverse decine di gigahertz, che corrispondono alla gamma di lunghezze d'onda millimetriche.

Si può anche realizzare un elemento con un'induttanza controllata parametricamente, una bobina induttiva avente un nucleo in materiale ferromagnetico con una forte dipendenza dell'induzione B dalla corrente magnetizzante I. Tali elementi non sono molto utilizzati alle radiofrequenze a causa di la grande inerzia dei processi di inversione della magnetizzazione del materiale.

Amplificatore parametrico ad anello singolo.

Si consideri un generatore di segnali formato da un collegamento in parallelo di un elemento con conducibilità attiva e una sorgente ideale di corrente armonica con ampiezza e frequenza. Un carico resistivo avente conducibilità è collegato al generatore. Ai terminali del generatore è presente una tensione con un'ampiezza nel carico viene rilasciata potenza attiva

Come è noto dalla teoria dei circuiti, nella modalità di abbinamento del carico con il generatore, quando il valore raggiunge il suo valore massimo:

(12.37)

Ovviamente, la potenza nel carico può essere aumentata riducendo in qualche modo la conducibilità del generatore. Ciò può essere ottenuto, ad esempio, collegando un condensatore parametrico (varactor) in parallelo al generatore.

Riso. 12.4. Schemi di un amplificatore parametrico a circuito singolo: a - base; b - equivalente

La capacità del varactor dovrebbe cambiare con la frequenza La fase iniziale del generatore della pompa dovrebbe essere scelta in modo che la resistenza [vedi. formula (12.34)] era negativo.

Sulla fig. 12.4, a, b mostra i circuiti del più semplice amplificatore parametrico a circuito singolo che implementa questo principio.

Elemento induttivo L insieme ad un condensatore [vedi. formula (12.27)] formano un circuito oscillatorio parallelo sintonizzato sulla frequenza del segnale. La resistenza di ingresso di questo circuito è così alta che praticamente non devia la conduttività attiva negativa

introdotto dal varactor.

Facendo riferimento alla fig. 12.4, b, si nota che la potenza rilasciata nel carico sarà massima anche nella modalità di abbinamento, ovvero quando

Il rapporto tra questo valore e quello determinato dalla formula (12.37) in assenza di un elemento parametrico è comunemente chiamato guadagno nominale

Ad esempio, lascia . Quindi o in unità logaritmiche.

Stabilità di un amplificatore parametrico.

Se la conduttanza negativa del varactor compensa completamente la somma delle conduttanze del generatore e del carico, l'amplificatore parametrico diventa instabile e si autoeccita.

Dal circuito equivalente mostrato in fig. 12.4, b, ne consegue che il valore critico della conducibilità negativa introdotta

Assumendo che le relazioni di fase del segnale e delle oscillazioni della pompa siano ottimali, nel senso che dalle formule (12.34), (12.41) troviamo la profondità critica della modulazione di capacità:

Esempio 12.3. Un amplificatore parametrico a circuito singolo opera ad una frequenza ), il generatore di segnale e il carico hanno la stessa conducibilità, capacità varactor Determinare i limiti limite per la variazione di capacità, al raggiungimento della quale l'amplificatore si autoeccita.

Secondo la formula (12.42) determiniamo

Pertanto, un amplificatore parametrico si autoeccita se la capacità del varactor, variabile nel tempo secondo la legge armonica, varia da a

Guadagno parametrico in modalità detuning.

In condizioni reali, è difficile, e talvolta anche impossibile, soddisfare esattamente la condizione di sincronismo. modalità asincrona. In questo caso, il valore Ф, che determina, secondo (12.34), la resistenza attiva introdotta, dipende dal tempo: La resistenza introdotta, variabile secondo la legge

acquisisce periodicamente segni diversi. Di conseguenza, ci sono profondi cambiamenti nel livello del segnale di uscita, di natura simile ai battiti. Questa carenza degli amplificatori a loop singolo ne ostacola in gran parte l'uso pratico.

Amplificatore parametrico a doppio circuito.

Il lavoro volto a migliorare le prestazioni degli amplificatori parametrici ha portato alla creazione di dispositivi fondamentalmente diversi, liberi dallo svantaggio di cui sopra. Il cosiddetto amplificatore a due loop è in grado di funzionare con un rapporto arbitrario di segnale e frequenze di pompaggio, indipendentemente dalle fasi iniziali di queste oscillazioni. Questo effetto si ottiene mediante l'uso di oscillazioni ausiliarie che si verificano a una delle frequenze di combinazione.

Lo schema di un amplificatore parametrico a due circuiti è mostrato in fig. 12.5.

L'amplificatore è costituito da due circuiti oscillatori di cui uno, detto circuito di segnale, è sintonizzato sulla frequenza e l'altro, cosiddetto circuito idle, sulla frequenza di riposo.Il collegamento tra i circuiti è effettuato sfruttando la capacità parametrica del varactor, che cambia nel tempo secondo la legge armonica con la frequenza della pompa:

Riso. 12.5. Schema di un amplificatore parametrico a due loop

Di solito, i fattori di qualità del segnale e dei circuiti inattivi sono elevati. Pertanto, in modalità stazionaria, le tensioni su questi circuiti sono descritte in modo abbastanza accurato dalle funzioni armoniche del tempo:

con alcune ampiezze e fasi iniziali.

Tenendo conto dei segni di stress mostrati in Fig. 12.5, troviamo che la tensione sul varactor, da dove la corrente attraverso il varactor

(12.44)

Analizziamo la composizione spettrale di questa corrente. Utilizzando la formula già incontrata, ci assicuriamo che la corrente contenga componenti alla frequenza del segnale, alla frequenza inattiva e anche alle frequenze di combinazione

Per trovare la conducibilità introdotta nel circuito del segnale dal collegamento in serie del varactor e del circuito inattivo, è necessario innanzitutto isolare la componente di corrente alla frequenza del segnale di cui alla formula (12.44):

(12.45)

Qui il primo termine è in quadratura temporale con la tensione e, quindi, non è associato all'introduzione della conduzione attiva nel circuito. Il secondo termine è proporzionale all'ampiezza della tensione sul circuito inattivo. Per trovare questa grandezza individuiamo nella (12.44) la componente utile della corrente a frequenza inattiva, che è proporzionale all'ampiezza

Se - la resistenza di risonanza del circuito inattivo, quindi la tensione su di esso, causata dalle oscillazioni alla frequenza del segnale,

da cui ne consegue

(12.47)

Sostituendo i valori nel secondo termine della formula (12.45), otteniamo l'espressione per la componente di corrente utile alla frequenza del segnale, che è dovuta all'influenza del varactor e del circuito inattivo:

Pertanto, la conduttività introdotta nel circuito del segnale dalla connessione in serie del varactor e del circuito inattivo risulta essere attiva e negativa:

Il guadagno nominale viene calcolato utilizzando la formula (12.40). L'analisi di stabilità viene eseguita come nel caso di un amplificatore ad anello singolo.

Confrontando le formule (12.38) e (12.49), si può notare che in un amplificatore a due circuiti la conduttività negativa introdotta non è correlata alle fasi iniziali del segnale e del pompaggio. Inoltre un amplificatore parametrico a due loop non è critico per la scelta delle frequenze coc e la conducibilità introdotta sarà sempre negativa se

Bilancio di potenza in sistemi parametrici multiloop.

L'insensibilità degli amplificatori parametrici che utilizzano oscillazioni Raman al rapporto tra le fasi del segnale utile e della pompa permette di studiare tali sistemi sulla base di semplici relazioni energetiche. Passiamo a schema generale mostrato in fig. 12.6.

Qui, tre circuiti sono collegati in parallelo con il condensatore non lineare. Due di essi contengono segnali e sorgenti di pompaggio, il terzo è passivo e funge da circuito inattivo sintonizzato sulla frequenza combinata (- numeri interi). Ogni circuito è dotato di un filtro a banda stretta che fa passare solo le oscillazioni con frequenze rispettivamente vicine. Per semplicità, si presume che i circuiti del segnale e della pompa non abbiano perdite ohmiche.

Lascia che una delle sorgenti (segnale o pompa) sia assente. Quindi, nella corrente che scorre attraverso il condensatore non lineare, non ci saranno componenti con frequenze di combinazione. La corrente del circuito inattivo è zero e il sistema nel suo insieme si comporta come un circuito reattivo, non assorbendo in media potenza dalla sorgente.

Se sono disponibili entrambe le sorgenti, viene visualizzato un componente corrente alla frequenza di combinazione; questa corrente può essere chiusa solo attraverso il circuito di riposo.

Riso. 12.6. Alla derivazione di relazioni energetiche in un sistema parametrico a due anelli

Il carico disponibile qui consuma in media energia e nei circuiti del segnale e della pompa vengono introdotte resistenze positive o negative, il cui valore e segno determinano la ridistribuzione della potenza tra le fonti.

Il sistema in esame è chiuso (autonomo) e, in base alla legge di conservazione dell'energia, le potenze medie del segnale, della pompa e delle oscillazioni Raman sono legate dalla relazione

La potenza mediata nel periodo di oscillazione T può essere espressa in termini di energia E rilasciata in questo intervallo di tempo:

( - frequenza in hertz). In questo modo,

o considerando questo

Come di consueto, considereremo la potenza positiva rilasciata nel carico e la potenza negativa data dal generatore. Dalle relazioni (12.54) si può vedere che da allora Quindi, se il circuito inattivo dell'amplificatore è sintonizzato su una frequenza, entrambe le sorgenti (segnale e pompa) danno energia al circuito inattivo, dove viene consumato nel carico. Perché il potere guadagna

Il vantaggio di questo metodo di amplificazione parametrica risiede nella stabilità del sistema, che non è in grado di autoeccitarsi a nessun segnale e potenza della pompa. Lo svantaggio è che la frequenza del segnale in uscita è superiore alla frequenza del segnale in ingresso. Nella gamma delle microonde, ciò causa alcune difficoltà nell'ulteriore elaborazione delle oscillazioni.

Amplificazione parametrica rigenerativa.

Sia cioè la frequenza di sintonizzazione del circuito inattivo Le equazioni di Manly-Rowe prendono la forma

Come segue dalla prima equazione, questa modalità entrambe le potenze sono positive Pertanto, una parte della potenza prelevata dal generatore della pompa entra nel circuito del segnale, ovvero nel sistema si osserva la rigenerazione alla frequenza del segnale. La potenza di uscita può essere prelevata sia dal circuito di segnale che da quello inattivo.

Le equazioni (12.56) non consentono di determinare il guadagno del sistema, poiché la potenza contiene sia una parte consumata dai dispositivi collegati all'ingresso dell'amplificatore, sia una parte derivante dall'effetto di rigenerazione. Si può notare la capacità di tali amplificatori di autoeccitarsi, poiché in determinate condizioni si svilupperà una potenza diversa da zero nel circuito del segnale anche in assenza di un segnale utile in ingresso.

Il diagramma schematico di un amplificatore a due frequenze o, come viene spesso chiamato, un amplificatore a due circuiti è mostrato in fig. 10.16. Il primo circuito del segnale è sintonizzato sulla frequenza centrale dello spettro del segnale (frequenza di risonanza) e il secondo circuito "inattivo" è sintonizzato sulla frequenza della sora, che è abbastanza diversa da.

La frequenza della pompa viene scelta dalla condizione

(10.43)

Nella scelta di una frequenza si procede dalla condizione che la frequenza del segnale sia al di fuori della banda di trasparenza del contorno ausiliario. Ma la frequenza combinata deve essere al di fuori della banda operativa del circuito del segnale.

Quando queste condizioni sono soddisfatte, ci sarà solo una tensione di frequenza sul circuito del segnale e frequenze sul circuito ausiliario. Supponendo che le ampiezze di queste tensioni siano piccole rispetto a , si può sostituire la capacità non lineare , insieme al generatore della pompa, con una capacità parametrica lineare , variabile con la frequenza , come è stato fatto nel § 10.5.

Riso. 10.16. Amplificatore parametrico a doppia frequenza

Quindi, sotto l'influenza della tensione del segnale nel circuito a capacità variabile, si genera una corrente (oltre ad altri componenti che non sono di interesse in questo caso)

[cm. 10.36)]. Qui .

Sulla resistenza del circuito inattivo, la corrente crea una caduta di tensione

Scriviamo la fem equivalente che agisce sulla capacità C, come nel § 8.16 [vedi. (8.99)], nella forma

La corrente di combinazione dovuta a questo EMF, per analogia con l'espressione (10.44), sarà

Si noti che la fase e la frequenza della pompa (he nell'espressione (10.45) sono assenti.

Tenendo conto della relazione di cui sopra per l'ultima uguaglianza può essere scritta nella forma

Come si può notare, rispetto al circuito del segnale, la capacità non lineare, unitamente al generatore della pompa e al circuito del minimo, può essere sostituita da una conducibilità che tenga conto della corrente trovata

L'ampiezza complessa di questa corrente

Ampiezza complessa della tensione attraverso il circuito del segnale Pertanto, la conduttanza che devia il circuito del segnale sarà

(10.46)

dove è la complessa funzione coniugata della funzione

Per risonanza, quando, quindi, la resistenza del circuito ausiliario sarà e la formula (10.46) assume la forma

Nel circuito equivalente mostrato in fig. 10.17, gli elementi situati a sinistra della linea tratteggiata corrispondono al circuito del segnale dell'amplificatore e, a destra, alla capacità non lineare insieme al circuito ausiliario. Il circuito risultante coincide essenzialmente con il circuito di un amplificatore ad anello singolo (vedi Fig. 10.15). La differenza è solo nel metodo per determinare la conduttività negativa equivalente.

I dettagli relativi alla definizione delle oscillazioni combinatorie vengono forniti per richiamare l'attenzione sui seguenti vantaggi di un amplificatore a due loop:

a) la conduttanza negativa equivalente, e quindi il guadagno di potenza, non dipende dalla fase della tensione della pompa.

b) non è tenuto a rispettare un certo rapporto tra le frequenze

Entrambe queste proprietà dell'amplificatore a due loop sono spiegate dal fatto che la fase totale della corrente di combinazione nell'espressione (10.45), che determina la natura della conduttività equivalente, è essenzialmente la differenza di fase delle tensioni della pompa. Il primo ha la forma e il secondo (senza tener conto). Quando si forma la differenza, essa decade e la frequenza della differenza coincide comunque con la frequenza del segnale (dal ).

Il guadagno di un amplificatore a due circuiti alla frequenza di risonanza può essere determinato da un'espressione simile alla formula (10.40):

dove è calcolato dalla formula (10.46), è la conducibilità del carico del circuito del segnale.

Quando la frequenza del segnale si discosta dalla frequenza di risonanza e, di conseguenza, la frequenza dal modulo di resistenza diminuisce, il che porta ad una diminuzione del modulo e, di conseguenza, del guadagno di potenza.

Sulla base dell'espressione (10.46), è possibile calcolare la risposta in frequenza e la larghezza di banda di un amplificatore a due loop.

La condizione di stabilità dell'amplificatore in questo caso può essere scritta nella forma

Si consideri il bilancio energetico in un amplificatore a due frequenze in funzione del rapporto delle frequenze Si fornisca la frequenza e la potenza del segnale all'ingresso dell'amplificatore. Poiché con un aumento della frequenza ausiliaria, il modulo di un valore negativo aumenta [vedi. (10.46)], poi cresce anche [vedi (10.48)]. Potenza del segnale di uscita dell'amplificatore

Per determinare la potenza richiesta del generatore di pompe Pson, nonché la potenza allocata nel circuito ausiliario, utilizziamo il teorema di Manley-Row. Sulla base dell'espressione (7.104), si possono scrivere le seguenti relazioni:

(Il segno meno nell'ultima espressione è omesso, poiché è ovvio che questa potenza viene prelevata dal generatore della pompa.) Il rapporto di potenza è illustrato in Fig. 10.18. Si può vedere da questa figura che viene rilasciata più potenza sul circuito ausiliario che sul circuito di segnale. Pertanto, sebbene la potenza aumenti con l'aumentare della frequenza, la distribuzione della potenza prelevata dalla pompa generatore cambia a favore della frequenza

Per illustrare le relazioni quantitative in un amplificatore parametrico a due frequenze, diamo il seguente esempio.

Lascia che sia necessario amplificare il segnale a una frequenza con un'ampiezza di spettro

Dati iniziali del primo circuito (di segnale): resistenza caratteristica Ohm; resistenza interna della sorgente del segnale che devia il circuito, ; resistenza al carico.

Dati iniziali del secondo circuito (inattivo): frequenza di risonanza ; resistenza caratteristica Ohm; resistenza al carico.

Prima di calcolare la variazione richiesta della capacità varicap, troviamo il valore di conducibilità limite che può essere collegato al circuito del segnale per una data larghezza dello spettro del segnale

Il massimo fattore di qualità del circuito del segnale (se deviato con conducibilità negativa), ovviamente, non deve superare

A , la conducibilità risultante che devia il circuito primario deve essere almeno

In conclusione, notiamo i principali vantaggi e svantaggi di un amplificatore parametrico.

Un importante vantaggio di un amplificatore parametrico è il livello di rumore relativamente basso rispetto agli amplificatori a transistor oa valvole. Nel § 7.3 è stato osservato che la principale fonte di rumore nei transistor e negli amplificatori a valvole è l'effetto shot dovuto al trasferimento caotico di cariche discrete di elettroni e lacune (in un transistor). In un amplificatore parametrico, un effetto simile si verifica in un dispositivo che modula un parametro. Ad esempio, si verifica un cambiamento nella capacità di un varicap a causa del movimento di elettroni e lacune. Tuttavia, l'intensità del flusso dei vettori elettrici in un varicap è molte volte inferiore rispetto a un transistor o una lampada. In quest'ultimo l'intensità del flusso determina direttamente la potenza del segnale utile emesso nel circuito di carico, nel varicap è solo l'effetto della modulazione dei parametri. L'indebolimento dell'influenza dell'effetto sparo è così significativo che il livello di rumore in un amplificatore parametrico è determinato principalmente dal rumore termico. A questo proposito, il raffreddamento del diodo parametrico viene spesso utilizzato fino a 5 ... 10.

Lo svantaggio di un amplificatore parametrico è la complessità del disaccoppiamento dei circuiti della pompa e del segnale.

Nel circuito mostrato in Figura 10.14, a, tipico degli amplificatori parametrici di portata metrica, il disaccoppiamento viene effettuato utilizzando condensatori di isolamento e induttanze di blocco. Nella gamma delle microonde, dove sono particolarmente diffusi gli amplificatori parametrici, si deve ricorrere a strutture molto complesse che uniscono in un nodo un circuito oscillatorio a due frequenze sotto forma di risonatori cavi, un varicap, e speciali elementi di disaccoppiamento (circolatore, accoppiatore, assorbitore, filtro di sovratensione). Questi problemi sono affrontati in corsi speciali.

Un amplificatore parametrico è un dispositivo contenente un circuito oscillatorio in cui, sotto l'influenza di una sorgente esterna (generatore di pompe), un parametro ad alta intensità energetica (capacità o induttanza) cambia e, a causa dell'opportuna organizzazione del sistema oscillatorio, il segnale è amplificato.

Esistono amplificatori parametrici a semiconduttore, ferrite e fascio di elettroni.

Amplificatori parametrici a semiconduttore (SPA) a causa di una serie di proprietà positive (piccola potenza richiesta del generatore della pompa,

la possibilità di microminiaturizzazione, ecc.) hanno ricevuto il massimo utilizzo. L'elemento principale della PPU è un diodo parametrico, che è una giunzione p-n polarizzata inversa, inclusa in modo appropriato nel sistema oscillatorio, a cui viene applicata una miscelazione e una tensione costanti dal generatore della pompa, che crea una modulazione di capacità. La dipendenza della capacità del diodo dalla tensione di polarizzazione applicata è descritta dall'espressione:

dov'è la differenza di potenziale di contatto;

n è un parametro che caratterizza le proprietà non lineari della capacità (per diodi saldati n = 1/2, per diodi a diffusione - n = 1/3).

Se viene applicata una tensione della pompa alla giunzione p-n polarizzata inversa, è possibile descrivere la variazione della capacità del diodo

dove , , è la profondità di modulazione della capacità all'armonica corrispondente della frequenza della pompa.

A causa della dipendenza non lineare della capacità di un diodo parametrico dalla tensione applicata, in esso possono verificarsi correnti di varie frequenze di combinazione

dove m, n- numeri interi compresi tra a .

Se la capacità non ha perdite, la distribuzione di potenza sulle frequenze di combinazione è determinata dalla relazione di Manley-Row

dove è la potenza alla frequenza.

Si noti che le relazioni di Manley-Row derivano dalla legge di conservazione dell'energia per un amplificatore parametrico.

I casi più interessanti sono quando il sistema funziona a tre frequenze: le frequenze del segnale e della pompa e una delle frequenze combinate. Tipicamente, la frequenza della combinazione è la somma o la frequenza della somma.

Si consideri un amplificatore parametrico operante alla frequenza somma, cioè la frequenza combinata è la somma delle frequenze

generatore di segnale e pompa. Applicate alle equazioni di Manley-Row, queste tre frequenze possono essere rappresentate come

Quindi, in base alle relazioni, si può scrivere Manly-Row

In questo caso, la modalità di funzionamento non è rigenerativa, perché a . Il guadagno di potenza dalla seconda equazione è dato da

Un amplificatore parametrico di questo tipo viene versato in un convertitore boost stabile. Il loro uso è limitato dal fatto che quando si amplificano segnali nella gamma delle microonde, è difficile ottenere guadagni sufficientemente grandi.

Si consideri un esempio quando i circuiti oscillatori sintonizzati su frequenze , , , sono collegati tramite una capacità non lineare.

In accordo con le relazioni Manley-Row, abbiamo

Ne consegue che i circuiti di frequenza sono energeticamente equivalenti dal punto di vista dell'azione parametrica, la potenza della pompa generatore viene pompata in entrambi questi circuiti o, in altre parole, viene introdotta una conduttività negativa sia alla frequenza del segnale che alla frequenza differenziale .

Pertanto, gli amplificatori parametrici di questo tipo sono rigenerativi.

A seconda del rapporto tra frequenze e risonanze possono trovarsi in diversi sistemi oscillatori o, se in un sistema oscillatorio.

Nel primo caso, l'amplificatore parametrico è chiamato a due circuiti (i circuiti sintonizzati sulla frequenza della pompa non vengono presi in considerazione), nel secondo caso è chiamato a circuito singolo.

I più utilizzati sono i PUF a doppio loop di tipo riflettente, poiché, a differenza dei PUF a loop singolo, non richiedono una rigida fasatura del segnale e delle frequenze di pompaggio e consentono di realizzare basse temperature di rumore in combinazione con una buona banda larga.

Lo schema a blocchi di un amplificatore parametrico può essere rappresentato nella forma seguente (Fig. 5.9).

Un amplificatore parametrico (PU) è un dispositivo contenente un circuito oscillatorio in cui, sotto l'influenza di una sorgente esterna (generatore di pompe), un parametro ad alta intensità energetica (capacità o induttanza) cambia. E grazie all'opportuna organizzazione del sistema oscillatorio, il segnale viene amplificato.

Consideriamo un sistema costituito da due piastre cariche che rappresentano una certa capacità.

Il valore dell'addebito di questa capacità:

Una variazione forzata della capacità può essere rappresentata come una variazione (ad esempio un aumento) della distanza tra le piastre. A causa del fatto che la capacità non è chiusa, la quantità di carica sarà costante e la tensione aumenterà. In questo caso, l'energia di carica della capacità aumenterà, pari a , e l'energia (che è una sorta di fonte di alimentazione) spesa per modificare la distanza tra le piastre del condensatore viene trasformata in energia di carica. Di conseguenza, ci sarà un aumento della potenza rilasciata da un tale condensatore quando viene scaricato attraverso un determinato carico, cioè l'amplificazione.

Un amplificatore parametrico funziona in modo simile. La fonte di energia (o energia per cambiare la capacità) perché è un certo generatore di pompe ad alta frequenza che modula la capacità o l'induttanza di qualsiasi elemento del circuito oscillatorio. Con un tale cambiamento nel parametro ad alta intensità energetica, si verifica una resistenza elettrica negativa nel circuito oscillatorio, quindi gli amplificatori parametrici sono una specie di amplificatori rigenerativi. Un amplificatore rigenerativo è un amplificatore con un positivo risposta, che è accompagnata dall'introduzione di conduttività negativa nel circuito del segnale. Da un punto di vista energetico, l'introduzione di conduttività negativa nel circuito del segnale corrisponde al pompaggio di energia in esso dall'alimentazione dell'amplificatore, che consente di fornire un'amplificazione di potenza.

Distinguere semiconduttore, ferrite e PU a fascio di elettroni. I semiconduttori PU (PPU), costruiti sulla base di diodi parametrici (varicap), sono i più utilizzati a causa di parametri come la bassa potenza del generatore della pompa e la possibilità di microminiaturizzazione.

L'elemento principale della PPU è un diodo parametrico (PD), che è una giunzione pn polarizzata inversa, inclusa in modo appropriato nel sistema oscillatorio, a cui vengono applicate una tensione di polarizzazione costante U SM e una tensione dal generatore della pompa , che modula la capacità del PD.

Se viene applicata una tensione di pompa alla giunzione p-n polarizzata inversa del PD, la variazione della capacità del diodo può essere descritta dall'espressione

dove M 1 \u003d C 1 / C 0, M 2 \u003d C 2 / C 0è la profondità di modulazione della capacità PD rispetto alle corrispondenti armoniche della frequenza della pompa.

La profondità di modulazione della capacità dipende dalla tensione della pompa e può essere determinata dalla caratteristica tensione-capacità dell'FP. Inoltre, maggiore è la profondità di modulazione, maggiore è la resistenza negativa introdotta nel circuito.

A causa della dipendenza non lineare della capacità PD dalla tensione applicata, in essa possono verificarsi correnti di varie frequenze di combinazione f m,n = mf n + nf c, dove m, n sono numeri interi.

Se la capacità non ha perdite, la distribuzione di potenza sulle frequenze di combinazione è determinata dalla relazione Manly-Row:

	}

dove P m,n è la potenza alla frequenza f m,n .

L'analisi di questa uguaglianza ci permette di trarre una serie di conclusioni sulle proprietà degli amplificatori parametrici. Ad esempio, nel caso in cui una capacità non lineare colleghi circuiti oscillatori sintonizzati su frequenze f c, f n e f 1,1 = f c + f n = f + , allora, tenendo conto delle relazioni di Manly-Row, otteniamo

E se la potenza entra nella capacità non lineare alle frequenze f c e f n, viene rilasciata alla frequenza f + , e a P c = 0 e P + = 0, cioè il sistema non è rigenerativo. In questo caso, il massimo guadagno

Gli amplificatori parametrici di questo tipo sono chiamati convertitori boost stabili. Il loro uso è limitato dal fatto che quando si amplificano i segnali a microonde, è difficile ottenere grandi guadagni, perché f + e f n sono molto alti.

Consideriamo un esempio quando una capacità non lineare collega circuiti oscillatori sintonizzati su frequenze f s, f n e f 1,-1 = f s - f n = f - , quindi, tenendo conto delle relazioni di Manly-Row, otteniamo

,

Poiché i circuiti di frequenze fc e f - sono energeticamente equivalenti dal punto di vista dell'azione parametrica, la potenza della pompa generatore viene pompata in entrambi questi circuiti, ovvero, viene introdotta una resistenza negativa sia alla frequenza fc che a frequenza f -. Pertanto, questo tipo di amplificatore è rigenerativo e può fornire un guadagno arbitrariamente elevato.

A seconda del rapporto tra le frequenze f c e f - = f c - f n, le risonanze possono trovarsi in diversi sistemi oscillatori o, se f c » f - , - in un sistema oscillatorio. Nel primo caso, l'amplificatore è chiamato doppio circuito, nel secondo - circuito singolo.

Nella teoria degli amplificatori rigenerativi, è stato dimostrato che gli amplificatori di questo tipo possono essere implementati secondo due schemi: "per passaggio" e "per riflessione". Questi ultimi, ceteris paribus, consentono di ottenere un prodotto guadagno-larghezza di banda maggiore a una figura di rumore inferiore, il che determina l'opportunità del loro impiego pratico.

Attualmente, i PPA di tipo riflettente a doppio anello sono i più ampiamente utilizzati, poiché, a differenza di quelli a ciclo singolo, non richiedono una rigida fasatura del segnale e delle frequenze della pompa e consentono di realizzare basse temperature di rumore in combinazione con una buona banda larga.

È possibile costruire una PPU, che non solo amplificherà il segnale, ma ne trasferirà anche la frequenza, mentre il generatore della pompa funge anche da oscillatore locale. In questo caso è possibile convertire la frequenza sia in alto, cioè con inversione spettro, e verso il basso, senza inversione .