НОВОСТИ    БИБЛИОТЕКА    ССЫЛКИ    О САЙТЕ




предыдущая главасодержаниеследующая глава

10.9. Двухчастотный параметрический усилитель

Принципиальная схема двухчастотного, или, как его часто называют, "двухконтурного" усилителя, изображена на рис. 10.20. Первый, сигнальный контур, настраивается на центральную частоту спектра сигнала (резонансная частота ωр1 ≈ ω1), а второй, "холостой" контур, - на частоту ωр2, достаточно сильно отличающуюся от ωр1.

Рис. 10.20. Двухчастотный параметрический усилитель
Рис. 10.20. Двухчастотный параметрический усилитель

Частота накачки выбирается из условия


При выборе частоты ωр2 исходят из условия, что частота сигнала он находится вне полосы прозрачности вспомогательного контура. С другой стороны, комбинационная частота ω2 = ωн - ω1 должна находиться вне рабочей полосы сигнального контура.

При выполнении этих условий на сигнальном контуре будет существовать лишь одно напряжение частоты ω1, а на вспомогательном контуре - частоты ω2. Считая амплитуды Е1 и Е2 этих напряжений малыми по сравнению с Ен, можно заменить нелинейную емкость Снл, совместно с генератором накачки, линейной параметрической емкостью, изменяющейся с частотой ωн, как это было сделано в § 10.7. Тогда под воздействием напряжения сигнала е1(t) = Е1 cos (ω1t + θ1) в цепи переменной емкости С(t) = С0 - ΔС cos (ωнt + θн) возникает (помимо других составляющих, не представляющих в данном случае интереса) ток


[см. выражение (10.59)]. Здесь Iω2 = 1/2ω2ΔСE1.

На сопротивлении холостого контура Z2(iω2) = Z22) еz ток iω2(t) создает падение напряжения


Эквивалентную э. д. с., воздействующую на емкость С(t), запишем, как и в § 10.5, в форме


Комбинационный ток iωн2(t), обусловленный этой э. д. с. будет


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


С учетом приведенного выше соотношения Iω2 = (1/2) ω2ΔСЕ1 последнее равенство можно записать в форме


Комплексная амплитуда этого тока


С другой стороны, комплексная амплитуда напряжения на сигнальном контуре е1(t) = Е1 cos (ω1t + θ1) равна Е1 = Е1е1.

Следовательно, проводимость, шунтирующая сигнальный контур, будет


где - функция, комплексно-сопряженная функции Z2(iω2).

Для резонанса, когда ω1 = ωp1 и, следовательно, ω2 = ωр2, сопротивление вспомогательного контура будет Rн2 - 1/Gн2 и формула (10.69) принимает вид


На схеме замещения, представленной на рис. 10.21, элементы, расположенные слева от штриховой линии, соответствуют сигнальному контуру усилителя, а справа - нелинейной емкости вместе со вспомогательным контуром. Полученная схема по существу совпадает со схемой одноконтурного усилителя (см. рис. 10.19). Различие лишь в способе определения эквивалентной отрицательной проводимости.

Рис. 10.21. Схема замещения двухконтурного параметрического усилителя
Рис. 10.21. Схема замещения двухконтурного параметрического усилителя

Следует отметить, что приведенные выше соотношения можно было бы получить более коротким путем, на основе выражений (10.44) -(10.56). Подробности, связанные с определением комбинационных колебаний 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 ω1 и ωн.

Оба эти свойства двухконтурного усилителя объясняются тем, что полная фаза комбинационного тока iωн2 в выражении (10.68), определяющая характер эквивалентной проводимости Gэкв, по существу является разностью фаз напряжения накачки и е2(t). Первая из них имеет вид (ωнt + θн), а вторая (ω2t + θн - θ1) (без учета φz и π/2). При образовании разности θн выпадает, а разностная частота ωн - ω2 в любом случае совпадает с частотой сигнала (поскольку ω2 = ωн - ω1).

Коэффициент усиления двухконтурного усилителя при резонансной частоте (ω1 = ωр1) можно определить из выражения, аналогичного формуле (10.63):


где Gэкв вычисляется по формуле (10.69), а Gн1 - проводимость нагрузки сигнального контура.

При отклонении частоты сигнала ω1 от резонансной частоты ωр1 и соответственно частоты ω2 от ωр2 модуль сопротивления Z(iω2) уменьшается, что приводит к уменьшению модуля Gэкв и, следовательно, коэффициента усиления по мощности.

Основываясь на выражении (10.69), можно вычислить амплитудно-частотную характеристику и полосу пропускания двухконтурного усилителя.

Условие устойчивости усилителя в данном случае можно записать в форме


или


Рассмотрим энергетический баланс в двухчастотном усилителе в зависимости от соотношения частот ω1 и ω2.

Пусть заданы частота ω1 и мощность Рs сигнала на входе усилителя. Так как с повышением вспомогательной частоты ω2 модуль отрицательной величины Gэкв увеличивается [см. формулу (10.69)], то и усиление по мощности КР также растет [см. формулу (10.70)]. Мощность сигнала на выходе усилителя будет Pω1 = KPPs.

Для определения требуемой мощности генератора накачки Рωн, а также мощности Рω2, выделяемой во вспомогательном контуре, воспользуемся теоремой Мэнли-Роу. На основании выражения (10.55) можно записать следующие соотношения:


(Знак минус в последнем выражении опущен, так как очевидно, что эта мощность отбирается от генератора накачки.) Соотношение мощностей Рs, Рω1, Рω2, Рωн иллюстрируется рис. 10.22. Из этого рисунка видно, что при ω2 > ω1 на вспомогательном контуре выделяется мощность, большая, чем на сигнальном. Таким образом, хотя с повышением частоты ω2 мощность Рω1 и растет, распределение мощности, отбираемой от генератора накачки, изменяется в пользу частоты ω2. Несмотря на это, часто работают в режиме ω2 > ω1, так как при усилении слабого сигнала основное значение имеет не степень использования мощности Рωн, а отношение мощности Рω1 к Рs, т. е. усиление КР.

Рис. 10.22. Соотношение мощностей на различных частотах в двухконтурном параметрическом усилителе
Рис. 10.22. Соотношение мощностей на различных частотах в двухконтурном параметрическом усилителе

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

Пусть требуется осуществить усиление сигнала на частоте f1 = 30 МГц при ширине спектра 2Δf0 = 100 кГц.

Исходные данные первого (сигнального) контура: характеристика ρ1 = 100 Ом; внутреннее сопротивление источника сигнала, шунтирующее контур, Ri = 5 кОм; сопротивление нагрузки Rн1 = 5 кОм.

Исходные данные второго (холостого) контура: резонансная частота fp2 = 60 МГц; характеристика ρ2 = 50 Ом; сопротивление нагрузки Rн2 = 5 кОм.

Прежде чем вычислять требуемую величину вариации емкости варикапа, найдем предельную величину проводимости Gэкв, которую можно подключать к сигнальному контуру при заданной ширине спектра сигнала 2Δf0.

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


При ρ1 = 100 Ом результирующая проводимость, шунтирующая первый контур, должна быть не менее


откуда


Подставляя значения Gэкв, ω1, ω2 и Rн2 в формулу (10.69'), находим


откуда


Требуемую величину ΔС можно реализовать с помощью обычного варикапа. Существующие в настоящее время варикапы допускают, например, изменение емкости до 30 пФ.

Коэффициент усиления мощности вычислим по формуле (10.70):


В заключение отметим основные преимущества и недостатки параметрического усилителя.

Важным преимуществом параметрического усилителя является относительно низкий уровень шумов по сравнению с транзисторным или ламповыми усилителями. В § 7.2 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. Так, 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) К.

Недостатком параметрического усилителя является сложность развязки цепей накачки и сигнала.

В схеме, представленной на рисунке 10.18, 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.

предыдущая главасодержаниеследующая глава








© Сенченко Антонина Николаевна, Злыгостев Алексей Сергеевич, 2010-2018
При копировании обязательна установка активной ссылки:
http://rateli.ru/ 'rateli.ru: Радиотехника'