10.12. Параметрические генераторы

Из содержания предыдущего параграфа видно, что периодическим изменением одного из энергоемких элементов контура - емкости или индуктивности - можно осуществить генерирование колебаний.

Впервые эта идея была выдвинута советскими учеными Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, которые в 1931 г. разработали теорию параметрического возбуждения колебаний и экспериментально подтвердили ее на модели контура, в котором индуктивность или емкость модулировались с помощью механического устройства (например, вращением ротора вариометра).

В настоящее время принцип параметрического возбуждения колебаний используется в специальных генераторах, так называемых параметронах, широко применяемых в различных устройствах для обработки дискретной информации. Это объясняется главной особенностью параметрического возбуждения - двузначностью фазы генерируемых колебаний. Так как установление фазы φ или φ + π зависит от начальных условий, то, задавая в момент запуска генератора начальную фазу с помощью сигнала, можно получить одно из двух устойчивых состояний генератора, соответствующих двум знакам двоичного кода (например, фазе φ условно приписывается нуль, а фазе φ + π - единица).

В емкостном параметроне (рис. 10.29, а) в качестве переменной емкости используются два полупроводниковых диода, а индуктивностью контура служит первичная обмотка высокочастотного трансформатора. Напряжение накачки е_н(t) с частотой ω_н, вдвое превышающей резонансную частоту контура, подается на диоды синфазно, благодаря чему емкости диодов уменьшаются или увеличиваются одновременно и вместе с тем исключается прохождение частоты ω_н на выход. С другой стороны, благодаря симметрии схемы устраняется прохождение колебаний частоты ω_н/2, возбуждаемых в контуре, в цепь накачки. Положение рабочей точки на характеристиках р-n-переходов задается постоянным напряжением смещения.

Рис. 10.29. Емкостной (а) и индуктивный (б) параметроны

В индуктивном параметроне (рис. 10.29, б) контур состоит из постоянной емкости и катушек L_к, насаженных на ферритовые сердечники, магнитная проницаемость которых периодически изменяется при пропускании тока накачки i_н(t) через катушки L_н. Исходное положение рабочей точки на характеристике нелинейной индуктивности задается постоянным током, пропускаемым через катушки L_н. Встречное включение катушек L_н на двух сердечниках устраняет прямое прохождение колебаний частоты ω_н на выход, а также колебаний частоты ω_н/2 из контура в цепь накачки.

Условия, необходимые для возникновения и нарастания амплитуды колебаний в линейном параметрическом контуре, были подробно рассмотрены в предыдущем параграфе. Для определения же стационарной амплитуды в параметрическом генераторе необходимо ввести в рассмотрение нелинейность, которая неизбежно проявляется при увеличении амплитуды колебаний и обусловливает механизм ограничения амплитуды.

В параметроне с механическим устройством для модуляции энергоемкого элемента увеличение амплитуды ограничивается мощностью устройства накачки. Кроме того, ограничение может быть обусловлено и заходом амплитуды генерируемых колебаний на нелинейные участки характеристик нелинейной емкости или индуктивности. При этом изменяются средние значения С(t) или L(t), а следовательно, и среднее значение резонансной частоты контура. Расстройка контура относительно частоты ω_н/2 ухудшает условия преобразования энергии накачки и приводит к ограничению амплитуды.

Следует отметить, что к параметрону термин "генератор" или "генерирование" может быть применен лишь условно. В отличие от любой электронной автоколебательной системы или генератора с посторонним возбуждением, в которых осуществляется преобразование энергии источника постоянного тока в энергию колебаний, в параметроне первичным источником энергии является генератор накачки. Назначение параметрона, используемого в качестве реле с двумя устойчивыми состояниями, не в получении колебаний, а в "запоминании" фазы сигнала.

В связи с таким информационным назначением параметрона основное значение приобретает его быстродействие, от которого зависит и быстродействие устройства, работающего на параметронах. Необходимо по возможности повысить скорость нарастания амплитуды при каждом запуске параметрона.

Так как в соответствии с формулой (10.94) амплитуда колебаний в контуре нарастает по закону

где через А₀ обозначена начальная амплитуда (т. е. амплитуда сигнала, фазу которого требуется запомнить), то скорость нарастания амплитуды в момент запуска

Учитывая, что в соответствии с выражениями (10.86) и (10.78) при ν/2 = ω₀ параметр μ = ε/4 = m, а также что α_к/ω₀ = d/2 = 1/2Q, получаем

Возможности увеличения параметра m и амплитуды А₀ весьма ограничены. Поэтому основным путем увеличения быстродействия является повышение частоты ω₀.

В настоящее время непрерывно повышаются рабочие частоты параметронов и разрабатываются новые электронные и иные приборы, позволяющие осуществлять параметроны в диапазоне сверхвысоких частот.