Рабочие режимы параметрических диодов в ппу

Режим работы диода по постоянному смещению и уровню накачки необ­ходимо выбрать так, чтобы обеспечить максимальные значения ст и f_кр. Такой режим имеет место при полном использовании левой части (а иногда правой, при положительных значениях напряжения) вольтфарадной характеристики диода, т. е. когда максимальное значение напряжения на диоде U_max прибли­жается к максимальному допустимому U_доп а минимальное напряжение близко к нулю.

Необходимую мощность накачки в режи­ме гармонического тока вычисляют с учетом частоты накачки и мощности, рассеиваемой на сопротивлении Rs. Мощность накачки, определяемую по формулам, приведенным в справочнике [5, (6.12)], необходимо увеличить примерно в 1,5 раза при частоте f < 10 ГГц, в 2 раза при f = 10 ... 50 ГГц и в 2,5 раза при f > 50 ГГц.

В реальном параметрическом полупроводниковом усилителе имеются дополнительные потери в проводниках и контактах, а также утечка мощности накачки в тракт источника сигнала.

5.6 ПараметрическиЕ усилителИ

В емкостном преобразователе частоты (п.4.7) применяется варикап – элемент с большой нелинейной емкостью – рис. 5.24, б).

Рис.5.24 – Параметрический усилитель

Обратным напряжени­ем смещения Е диод закрыт. В этом случае, пренебрегая активными проводимостями, из (5.38) получаем параметры преобразования:

Y₁₁ = j_CC₀; Y₁₂ = j_ПРC_ПР; Y₁₂ = j_CC_ПР; Y₂₂ = j_ПРC_0. (5.60)

Согласно (5.46) с учетом (5.60) входная проводимость ПЭ в точках 1—1 (см. рис.5.28) для неинвертирующего ПЧ

Y_ВХ = j_CC₀ + _C_ПР  (Y_НЭ + j_ПРC₀). (5.61)

Рис.5.28 – Экви­валентная схема параметрического усилителя

При настройке цепи нагрузки в резонанс на частоту f_ПР= _ПР 2 реактивность выходного контура вместе с реактивностью диода равна нулю, тогда (5.61) имеет вид

Y_ВХ = j_CC₀ + _C_ПР  G_НЭ, (5.62)

где G_НЭ = G_к2 +G_Н – эквивалентная резонансная проводимость выходного кон­тура с нагрузкой.

Для инвертирующего ПЧ входная проводимость ПЭ из (5.47) с учетом (5.60) при резонансе в выходной цепи определяется выражением

Y_ВХ = j_CC₀ – _C_ПР  G_НЭ. (5.63)

Отсюда видно что инвертирующий ПЧ имеет отрицательную активную составляющую входной проводимости

G_НЭ = – _C_ПР  G_НЭ. (5.64)

Это происходит вследствие прямого и обратного инвертирующего преобразова­ний, в результате во входной контур поступают колебания с частотой сигнала в фазе с принятым колебанием, что приводит к регенеративному усилению коле­баний на частоте принимаемого сигнала. Усиленный сигнал снимается с вход­ного контура (точки 1—1 на рис. 5.28). Колебания выходного контура в этом случае непосредственно не используются, поэтому он называется холостым. Та­кой преобразователь называется двухконтурным регенеративным усилителем.

Упрощенная эквива­лентная схема регенеративного усилителя – на рис. 5.30. Источник сиг­нала и нагрузка с трансформированными параметрами подключены к резонатору L_РC_Р с эквивалентной проводимостью G_Р.

Рис.5.30 – Упрощенная эквива­лентная схема параметрического усилителя

Действие источника энергии, обеспечи­вающего усиление, показано в виде отрицательной проводимости –G_ВН, вно­симой в контур, и емкости C_ВН. Отрицательная вносимая проводимость опреде­ляется входной проводимостью (5.64). На резонансной частоте реактивная проводимость контура равна нулю. Найдем коэффициент усиления по мощности как отношение мощности в на­грузке к номинальной мощности источника сигнала:

К_Р0 =Р_ВЫХ/Р_Гном. (5.65)

В нагрузке выделяется мощность

Р_ВЫХ = U²G_H = (I_Г/ G_)² G_H = I_Г² G_H /(G_Э - G), (5.66)

где G_Э = G_Г + G_Р + G_H. Подставляя в (5.65) Р_ВЫХ в соответствии с (5.66) и Р_Гном = I_Г²/4G_Г, получаем коэффициент усиления мощности

К_Р0 = 4G_ГG_Н /(1– )². (5.67)

Здесь  = G/G_Э — коэффициент регенерации. При   1, К_Р0  , однако практиче­ски получить усиление больше 20 дБ не удается, так как усилитель переходит в режим генерации.

Полоса пропускания регенеративного усилителя

_0,7 = f₀d = f₀G_ = f₀d_Э(1 – ), (5.68)

где d_Э = G_Э и f₀d_Э — соответственно затухание и полоса пропускания контура без регенерации. Из (5.67) и (5.68) видно, что увеличение усиления сопровож­дается сужением полосы пропускания. В большинстве случаев удается совме­стить достаточное усиление и требуемую полосу пропускания.

Если частота гетеродина, называемого генератором накачки, f_Г близка к уд­военной частоте усиливаемого сигнала 2 f_С, то разностная частота f_ПР = f_Г – f_С близ­ка к частоте сигнала и попадает в полосу пропускания входного контура. В этом случае отпадает необходимость в отдельном выходном контуре и двух­контурный ППУ вырождается в одноконтурный. Эквивалентная схема однокон­турного регенеративного ППУ совпадает с приведенной на рис. 5.30. Такой усилитель наиболее прост по конструкции и поэтому находил довольно широкое при­менение в сантиметровом диапазоне волн.

Достоинством ППУ является малый уровень собственных шумов, а поскольку постоянный ток в цепи варикапа весьма мал, малы и дробовые шумы. В ППУ в основном имеют место тепловые шумы, которые можно уменьшить охлаждением. Но чтобы реализовать малый коэффициент шума, необходимо предотвратить попадание собственных шумов нагрузки в усилитель, поскольку эти шумы, как и сигнал, будут усиливаться и выигрыша в реальной чувствительности приемника не будет. Предотвратить переход шумов нагрузки в резонатор усилителя можно с помощью фазовравщателей и ферритовых циркуляторов (ФЦ). Фазовращатели используются в усилителях проходного типа. В них сигнал от антен­ны через Фв₁ (см, рис. 2.55.б) попадает в резонатор, усиленный сигнал через Фв₂, который препятствует попаданию шумов нагрузки в резонатор, подводится к на­грузке.

Отражательные параметрические усилители с ферритовыми циркуляторами (ФЦ) имеют при одинаковой полосе пропускания в 4 раза больший коэффициент усиления и меньший коэффициент шума, чем проходные, поэтому применяются чаще последних. Основные параметры отра­жательных ППУ определяются соотношениями (4.45)…(4.48).

Регенеративное усиление возможно не только на частоте сигнала, но и на промежуточной частоте, так как в двухконтурном инвертирующем ПЧ активная составляющая выходной проводимости (в точках 2—2 на рис. 9.28) отрицатель­на. В этом нетрудно убедиться, подставив в (5.52) параметры (5.60). При резонансе в ВЦ

G_ВЫХ = – _C_ПР  (G_к1 –G_Г).

В неинвертирующем ПЧ активные составляющие входной и выходной проводимостей положительны. Поэтому регенеративного усиления не будет. Однако и в этом случае возможно усиление колебаний вследствие преобразования энер­гии генератора накачки ,в энергию принятого сигнала с повышением частоты. В соответствии с известным соотношением Мэнли—Роу коэффициент передачи мощности K_Р = f_ПР/f_С зависит от того, во сколько раз повышается частота. До­стоинство таких усилителей в широкополосности и устойчивости, недо­статок — усиленный сигнал снимается на частоте, которая много выше частоты входного сигнала. Обычно после такого усилителя следует резистивный ПЧ с понижением частоты.

Усилители с распределенными параметрами имеют очень широкую полосу пускания, но довольно сложны – они представляют собой замедляющую цепь, че­рез которую проходят бегущие волны принимаемого сигнала и волны генерато­ра накачки. На пути волн размещены варикапы, благодаря усилительному дей­ствию которых энергия сигнала нарастает по мере продвижения волны вдоль замедляющей цепи.

Полупроводниковые параметрические усилители обеспечивают наименьшую шумовую температуру в приемниках без специальных охлаждающих устройств. При охлаждении они лишь немного уступают по шумам применяемым в радио­астрономии квантовым усилителям, но гораздо проще по конструкции и более экономичны, так как им не требуется источник сильного магнитного поля, кото­рый необходим в квантовом усилителе. Для охлаждения первый каскад усили­теля помещают в двойной сосуд Дьюара с жидким гелием и жидким азотом. В РПрУ систем радиосвязи и телевидения ППУ вытесняются просты­ми и надежными транзисторными МШУ, которые почти не уступают им по шу­мовым параметрам.