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

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.

Способность управляемых реактивных двухполюсников при определенных условиях играть роль активных элементов цепи послужила основой для создания особого вида радиотехнических устройств, называемых параметрическими усилителями. Эти усилители нашли применение главным образом в СВЧ-диапазоне как входные ступени высокочувствительных радиоприемных устройств. Основное достоинство параметрических усилителей - низкий уровень собственных шумов, что связано с отсутствием в них дробовых флуктуаций тока.

Реализация параметрически управляемых реактивных элементов.

Возможность параметрического усиления сигналов была теоретически предсказана еще в начале века.

Однако пластическое осуществление этой идеи стало возможным лишь а 50-х годах после того, как были созданы первые удачные конструкции параметрических полупроводниковых днодов. Работа этих диодов, называемых также варакторами, основана на следующем эффекте. Если к -переходу диода приложено напряжение обратной полярности, то разделенный заряд q в запирающем слое является нелинейной функцией приложенного напряжения и. Зависимость называют вольт-кулонной характеристикой такого нелинейного конденсатора. При изменении напряжения в запертом переходе днода возникает ток смещения

Здесь - дифференциальная емкость варактора, которая приближенно описывается формулой

где к - размерный коэффициент; - контактная разность потенциалов.

Чем сильнее заперт переход, тем меньше его дифференциальная емкость.

Современные варакторы обладают весьма совершенными характеристиками и способны работать вплоть до частот в несколько десятков гигагерц, что соответствует миллиметровому диапазону длин волн.

Может быть создан также элемент с параметрически управляемой индуктивностью Он представляет собой индуктивную катушку, имеющую сердечник из ферромагнитного материала с резко выраженной зависимостью индукции В от подмагничивающего тока I. Такие элементы не нашли широкого применения на радиочастотах из-за большой инерционности процессов перемагничивания материала.

Одноконтурный параметрический усилитель.

Рассмотрим генератор сигнала, образованный параллельным соединением элемента с активной проводимостью и идеального источника гармонического тока с амплитудой и частотой . К генератору подключена резистивная нагрузка, имеющая проводимость . На зажимах генератора существует напряжение с амплитудой в нагрузке выделяется активная мощность

Как известно из теории цепей, в режиме согласования нагрузки с генератором, когда величина достигает максимального значения:

(12.37)

Очевидно, мощность в нагрузке можно повысить, уменьшив каким-либо образом проводимость генератора. Этого можно достичь, например, включив параллельно генератору параметрический конденсатор (варактор).

Рис. 12.4. Схемы одноконтурного параметрического усилителя: а - принципиальная; б - эквивалентная

Емкость варактора должна изменяться с частотой Начальную фазу генератора накачки следует выбрать так, чтобы сопротивление [см. формулу (12.34)] было отрицательным.

На рис. 12.4, а, б изображены схемы простейшего одноконтурного параметрического усилителя, реализующего данный принцип.

Индуктивный элемент L вместе с конденсатором [см. формулу (12.27)] образуют параллельный колебательный контур, настроенный на частоту сигнала. Входное сопротивление этого контура настолько велико, что практически не шунтирует отрицательную активную проводимость

вносимую варактором.

Обратившись к рис. 12.4, б, замечаем, что мощность, выделяемая в нагрузке, будет также максимальна в режиме согласования, т. е. при

Отношение этой величины к той, которая определяется формулой (12.37) в отсутствие параметрического элемента, принято называть номинальным коэффициентом усиления

Например, пусть . Тогда или в логарифмических единицах .

Устойчивость параметрического усилителя.

Если отрицательная проводимость варактора полностью компенсирует сумму проводимостей генератора и нагрузки, то параметрический усилитель становится неустойчивым и самовозбуждается.

Из эквивалентной схемы, приведенной на рис. 12.4, б, следует, что критическое значение вносимой отрицательной проводимости

Полагая, что фазовые соотношения колебаний сигнала и накачки оптимальны в том смысле, что из формул (12.34), (12.41) находим критическую глубину модуляции емкости:

Пример 12.3. Одноконтурный параметрический усилитель работает на частоте ), генератор сигнала и нагрузка имеют одинаковые проводимости , емкость варактора Определить предельные границы изменения емкости, при достижении которых усилитель самовозбуждается.

По формуле (12.42) определяем

Таким образом, параметрический усилитель самовозбуждается, если емкость варактора, изменяясь во времени по гармоническому закону, колеблется в пределах от до

Параметрическое усиление в режиме расстройки.

В реальных условиях трудно, а порой и невозможно точно выполнить условие синхронизма Если частота сигнала несколько расстроена относительно требуемого значения, т. е. то говорят, что параметрический усилитель работает в асинхронном режиме. При этом величина Ф, определяющая, согласно (12.34), активное вносимое сопротивление, зависит от времени: Вносимое сопротивление, изменяясь по закону

периодически приобретает разные знаки. Как следствие этого, наблюдаются глубокие изменения уровня выходного сигнала, аналогичные по характеру биениям. Этот недостаток одноконтурных усилителей в значительной степени препятствует их практическому использованию.

Двухконтурный параметрический усилитель.

Работы, направленные на улучшение эксплуатационных характеристик параметрических усилителей, привели к созданию принципиально иных устройств, свободных от указанного выше недостатка. Так называемый двухконтурный усилитель способен работать при произвольном соотношении частот сигнала и накачки, причем независимо от начальных фаз этих колебаний. Такой эффект достигается за счет использования вспомогательных колебаний, возникающих на одной из комбинационных частот.

Схема двухконтурного параметрического усилителя приведена на рис. 12.5.

Усилитель состоит из двух колебательных контуров, один из которых, называемый сигнальным контуром, настроен на частоту а другой, так называемый холостой контур, на холостую частоту Связь между контурами осуществляется при помощи параметрической емкости варактора, которая изменяется во времени по гармоническому закону с частотой накачки :

Рис. 12.5. Схема двухконтурного параметрического усилителя

Обычно добротности сигнального и холостого контуров велики. Поэтому в стационарном режиме напряжения на этих контурах достаточно точно описываются гармоническими функциями времени:

с некоторыми амплитудами и начальными фазами.

Приняв во внимание знаки напряжений, указанные на рис. 12.5, находим, что напряжение на варакторе , откуда ток через варактор

(12.44)

Проанализируем спектральный состав этого тока. Воспользовавшись уже встречавшейся формулой убеждаемся, что ток содержит составляющие на частоте сигнала , на холостой частоте а также на комбинационных частотах

Для того чтобы найти проводимость, вносимую в сигнальный контур последовательным соединением варактора и холостого контура, следует прежде всего выделить в формуле (12.44) составляющую тока на частоте сигнала:

(12.45)

Здесь первое слагаемое находится во временной квадратуре с напряжением и поэтому не связано с внесением в контур активной проводимости. Второе слагаемое пропорционально амплитуде напряжения на холостом контуре. Чтобы найти эту величину, выделим в (12,44) полезную составляющую тока на холостой частоте, пропорциональную амплитуде

Если - резонансное сопротивление холостого контура, то напряжение на нем, вызванное колебаниями на частоте сигнала,

откуда следует, что

(12.47)

Подставив величины во второе слагаемое формулы (12.45), получим выражение полезной составляющей тока на частоте сигнала, которая обусловлена влиянием варактора и холостого контура:

Таким образом, проводимость, вносимая в сигнальный контур последовательным соединением варактора и холостого контура, оказывается активной и отрицательной:

Номинальный коэффициент усиления рассчитывают по формуле (12.40). Анализ устойчивости проводят так же, как и в случае одноконтурного усилителя.

Сопоставляя формулы (12.38) и (12.49), можно отметить, что в двухконтурном усилителе вносимая отрицательная проводимость не связана с начальными фазами сигнала и накачки. Кроме того, двухконтурный параметрический усилитель некритичен к выбору частот сос и Вносимая проводимость будет отрицательна всегда, если

Баланс мощностей в многоконтурных параметрических системах.

Нечувствительность параметрических усилителей, использующих комбинационные колебания, к соотношению фаз полезного сигнала и накачки дает возможность изучать такие системы на основе простых энергетических соотношений. Обратимся к общей схеме, представленной на рис. 12.6.

Здесь параллельно конденсатору с нелинейной емкостью включены три цепи. Две из них содержат источники сигнала и накачки, третья является пассивной и служит холостым контуром, настроенным на комбинационную частоту ( - целые числа). Каждая цепь снабжена узкополосным фильтром, пропускающим лишь колебания с частотами, близкими к соответственно. Для простоты считается, что цепи сигнала и накачки не имеют омических потерь.

Пусть один из источников (сигнала или накачки) отсутствует. Тогда в токе, протекающем через нелинейный конденсатор, не будет составляющих с комбинационными частотами. Ток холостого контура равен нулю и система в целом ведет себя как реактивная цепь, не потребляя в среднем мощности от источника.

Если имеются оба источника, то появляется составляющая тока на комбинационной частоте; этот ток может замыкаться только через цепь холостого контура.

Рис. 12.6. К выводу энергетических соотношений в двухконтуриой параметрической системе

Имеющаяся здесь нагрузка в среднем потребляет мощность, а в цепи сигнала и накачки вносятся положительные или отрицательные сопротивления, значение и знак которых определяют перераспределение мощностей между источниками.

Рассматриваемая система замкнута (автономна), и на основании закона сохранения энергии средние мощности сигнала, накачки и комбинационных колебаний связаны соотношением

Мощность, усредненную за период колебаний Т, можно выразить через энергию Е, выделяемую в этот интервал времени:

( - частота в герцах). Таким образом,

или, учитывая, что

Как это принято, будем считать положительной мощность, выделяемую в нагрузке, и отрицательной мощность, отдаваемую генератором. Из соотношений (12.54) видно, что так как то Итак, если холостой контур усилителя настроен на частоту то оба источника (сигнала и накачки) отдают мощность холостому контуру, где она потребляется в нагрузке. Так как то коэффициент усиления мощности

Достоинство такого способа параметрического усиления заключается в устойчивости системы, неспособной самовозбудиться ни при каких мощностях сигнала и накачки. Недостаток же связан с тем, что частота выходного сигнала оказывается выше частоты сигнала на входе. В диапазоне СВЧ это вызывает известные трудности при дальнейшей обработке колебаний.

Регенеративное параметрическое усиление.

Пусть т. е. частота настройки холостого контура Уравнения Мэнли - Роу принимают вид

Как следует из первого уравнения, в данном режиме положительными являются обе мощности Таким образом, некоторая часть мощности, отбираемая от генератора накачки, поступает в сигнальный контур, т. е. в системе наблюдается регенерация на частоте сигнала. Выходную мощность можно извлечь как из сигнального, так и из холостого контура.

Уравнения (12.56) не дают возможности определить коэффициент усиления системы, поскольку мощность содержит в себе как часть, потребляемую от устройств, подключенных ко входу усилителя, так и часть, возникающую за счет эффекта регенерации. Можно отметить способность таких усилителей к самовозбуждению, поскольку при определенных условиях в сигнальном контуре будет развиваться отличная от нуля мощность даже в отсутствие полезного сигнала на входе.

Принципиальная схема двухчастотного или, как его часто называют, двухконтурного усилителя изображена на рис. 10.16. Первый, сигнальный, контур настраивается на центральную частоту спектра сигнала (резонансная частота ), а второй, «холостой», контур - на частоту сора, достаточно сильно отличающуюся от .

Частота накачки выбирается из условия

(10.43)

При выборе частоты исходят из условия, что частота сигнала находится вне полосы прозрачности вспомогательного контура. Но комбинационная частота должна находиться вне рабочей полосы сигнального контура.

При выполнении этих условий на сигнальном контуре будет существовать лишь одно напряжение частоты , а на вспомогательном контуре - частоты . Считая амплитуды этих напряжений малыми по сравнению с можно заменить нелинейную емкость , совместно с генератором накачки, линейной параметрической емкостью , изменяющейся с частотой , как это было сделано в § 10.5.

Рис. 10.16. Двухчастотный параметрический усилитель

Тогда под воздействием напряжения сигнала в цепи переменной емкости возникает (помимо других составляющих, не представляющих в данном случае интереса) ток

[см. 10.36)]. Здесь .

На сопротивлении холостого контура ток создает падение напряжения

Эквивалентную ЭДС, воздействующую на емкость С запишем, как и в § 8.16 [см. (8.99)], в форме

Комбинационный ток обусловленный этой ЭДС, по аналогии с выражением (10.44) будет

Заметим, что фаза накачки и частота (он в выражении (10.45) отсутствуют.

С учетом приведенного выше соотношения для последнее равенство можно записать в форме

Как видим, по отношению к сигнальному контуру нелинейная емкость вместе с генератором накачки и холостым контуром может быть замещена проводимостью, учитывающей найденный ток

Комплексная амплитуда этого тока

Комплексная амплитуда напряжения на сигнальном контуре Следовательно, проводимость, шунтирующая сигнальный контур, будет

(10.46)

где - функция комплексно-сопряженная функции

Для резонанса, когда следовательно, сопротивление вспомогательного контура будет и формула (10.46) принимает вид

На схеме замещения, представленной на рис. 10.17, элементы, расположенные слева от штриховой линии, соответствуют сигнальному контуру усилителя, а справа - нелинейной емкости вместе со вспомогательным конту ром. Полученная схема по существу совпадает со схемой одноконтурного усилителя (см. рис. 10.15). Различие лишь в способе определения эквивалент ной отрицательной проводимости.

Подробности, связанные с определением комбинационных колебаний и приведены с целью привлечения внимания к следующим преимуществам двухконтурного усилителя:

а) эквивалентная отрицательная проводимость, а следовательно, и усиление мощности не зависят от фазы напряжения накачки.

б) не требуется соблюдение определенного соотношения между частотами

Оба эти свойства двух контурного усилителя объясняются тем, что полная фаза комбинационного тока в выражении (10.45), определяющая характер эквивалентной проводимости по существу является разностью фаз напряжений накачки . Первая из них имеет вид а вторая (без учета ). При образовании разности выпадает, а разностная частота в любом случае совпадает с частотой сигнала (поскольку ).

Коэффициент усиления двухконтурного усилителя при резонансной частоте можно определить из выражения, аналогичного формуле (10.40):

где вычисляется по формуле (10.46), - проводимость нагрузки сигнального контура.

При отклонении частоты сигнала от резонансной частоты и соответственно частоты от модуль сопротивления уменьшается, что приводит к уменьшению модуля и, следовательно, коэффициента усиления мощности.

Основываясь на выражении (10.46), можно вычислить АЧХ и полосу пропускания двухконтурного усилителя.

Условие устойчивости усилителя в данном случае можно записать в форме

Рассмотрим энергетический баланс в двухчастотном усилителе в зависимости от соотношения частот Пусть заданы частота и мощность сигнала на входе усилителя. Так как с повышением вспомогательной частоты модуль отрицательной величины увеличивается [см. (10.46)], то и также растет [см. (10.48)]. Мощность сигнала на выходе усилителя

Для определения требуемой мощности генератора накачки Рсон, а также мощности выделяемой во вспомогательном контуре, воспользуемся теоремой Мэнли-Роу. На основании выражения (7.104) можно записать следующие соотношения:

(Знак минус в последнем выражении опущен, так как очевидно, что эта мощность отбирается от генератора накачки.) Соотношение мощностей иллюстрируется рис. 10.18. Из этого рисунка видно, что на вспомогательном контуре выделяется мощность, большая, чем на сигнальном. Таким образом, хотя с повышением частоты мощность и растет, распределение мощности, отбираемой от генератора накачки, изменяется в пользу частоты Несмотря на это, часто работают в режиме так как при усилении слабого сигнала основное значение имеет не степень использования мощности , а отношение мощности

Для иллюстрации количественных соотношений в двухчастотном параметрическом усилителе приведем следующий пример.

Пусть требуется осуществить усиление сигнала на частоте при ширине спектра

Исходные данные первого (сигнального) контура: характеристическое сопротивление Ом; внутреннее сопротивление источника сигнала, шунтирующее контур, ; сопротивление нагрузки .

Исходные данные второго (холостого) контура: резонансная частота ; характеристическое сопротивление Ом; сопротивление нагрузки .

Прежде чем вычислять требуемую вариацию емкости варикапа, найдем предельную величину проводимости которую можно подключать к сигнальному контуру при заданной ширине спектра сигнала

Максимальная добротность сигнального контура (при шунтировании отрицательной проводимостью), очевидно, не должна превышать

При результирующая проводимость, шунтирующая первый контур, должна быть не менее

В заключение отметим основные преимущества и недостатки параметрического усилителя.

Важным преимуществом параметрического усилителя является относительно низкий уровень шумов по сравнению с транзисторными или ламповыми усилителями. В § 7.3 отмечалось, что главным источником шумов в транзисторном и ламповом усилителях является дробовой эффект, обусловленный хаотическим переносом дискретных зарядов электронов и дырок (в транзисторе). В параметрическом усилителе аналогичный эффект имеет место в приборе, осуществляющем модуляцию параметра. Например, изменение емкости варикапа происходит за счет перемещений электронов и дырок. Однако интенсивность потока носителей электричества в варикапе во много раз меньше, чем в транзисторе или лампе. В последних интенсивность потока определяет непосредственно мощность полезного сигнала, выделяемого в цепи нагрузки, а в варикапе - всего лишь эффект модуляции параметра. Ослабление влияния дробового эффекта столь значительно, что в параметрическом усилителе уровень шумов определяется в основном тепловыми шумами. В связи с этим часто применяют охлаждение параметрического диода до 5 ... 10.

Недостатком параметрического усилителя является сложность развязки цепей накачки и сигнала.

В схеме, представленной на рисунке 10.14, а, характерной для параметрических усилителей метрового диапазона, развязка осуществляется с помощью разделительных конденсаторов и блокировочных дросселей. В диапазоне СВЧ, на которых особенно широко применяются параметрические усилители, приходится прибегать к весьма сложным конструкциям, сочетающим в одном узле двухчастотную колебательную цепь в виде полых резонаторов, варикап и специальные элементы развязки (циркулятор, направленный ответвитель, поглотитель, заградительный фильтр). Эти вопросы рассматриваются в специальных курсах.

Параметрическим усилителем называется устройство, содержащее колебательный контур, в котором под воздействием внешнего источника (генератора накачки) изменяется энергоемкий параметр (емкость или индуктивность) и за счет соответствующей организации колебательной системы осуществляется усиление сигнала.

Различают полупроводниковые, ферритовые и электронно-лучевые параметрические усилители.

Полупроводниковые параметрические усилители (ППУ) в силу ряда положительных свойств (небольшая требуемая мощность генератора накачки,

возможность микроминитюризации и т.д.) получили наибольшее применение. Основным элементом ППУ является параметрический диод, представляющий собой обратно-смещенный p-n-переход, включенный соответствующим образом в колебательную систему, на который подается постоянное смешение и напряжение от генератора накачки, создающее модуляцию емкости. Зависимость емкости диода от приложенного напряжения смещения описывается выражением:

где - контактная разность потенциалов;

n - параметр, характеризующий нелинейные свойства емкости (для сварных диодов n = 1/2, для диффузионных - n = 1/3).

Если на обратно-смещенный р-n-переход подается напряжение накач­ки, то изменение емкости диода можно описать

где , , - глубина модуляции емкости на соответствующей гармонике частоты накачки.

Вследствие нелинейной зависимости емкости параметрического диода от приложенного напряжения в ней могут возникать токи различных комбинационных частот

где m , n - целые числа, изменяющиеся от до .

Если емкость не имеет потерь, то распределение мощностей по комбинационным частотам определяется соотношением Менли-Роу

где - мощность на частоте .

Следует отметить, что соотношения Менли-Роу вытекают из закона сохранения энергии для параметрического усилителя.

Наиболее интересны случаи, когда система работает на трех частотах - частотах сигнала и накачки и одной из комбинационных частот. Обычно комбинационная частота представляет собой либо суммарную либо рапюсшую частоты.

Рассмотрим параметрический усилитель, работающий па суммарной частоте, т.е. комбинационная частота представляет собой сумму частот

сигнала и генератора накачки. Применительно к уравнениям Менли-Роу указанные три частоты можно представить как

Тогда на основании соотношений, Менли-Роу можно записать

Режим работы при этом нерегенеративный, т.к. при . Коэффициент усиления по мощности из второго уравнения определяется как

Параметрический усилитель такого типа наливают стабильным повы­шающим преобразователем. Их применение ограничивается тем, что при усилении сигналов диапазона СВЧ трудно добиться достаточно больших коэффициентов усиления.

Рассмотрим пример, когда через нелинейную емкость связываются колебательные цепи, настроенные на частоты , , .

В соответствии с соотношениями Менли-Роу имеем

Отсюда следует, что цепи частот , сточки зрения параметрического воздействия энергетически эквивалентны, мощность генератора накачки перекачивается в обе эти цепи или, другими словами, отрицательная проводимость вносится как на частоте сигнала, так и на разностной частоте.

Следовательно, параметрические усилители такого типа являются регенеративными.

В зависимости от соотношения частот и резонансы могут быть либо в различных колебательных системах, либо, если в одной колебательной системе.

В первом случае параметрический усилитель называют двухконтурным (контура, настроенные на частоту накачки не учитываются), во втором случае - одноконтурным.

Наибольшее распространение получили двухконтурные ППУ отража­тельного типа, поскольку в отличие от одноконтурных ППУ не требуют жесткой фазировки частот сигнала и накачки и позволяют реализовать низкие шумовые температуры в сочетании с хорошей широкополосностью.

Структурная схема параметрического усилителя может быть представ­лена в следующем виде (рис. 5.9).

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 .