книги из ГПНТБ / Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике

Рис. 82. Колебательный контур с изменяемой ем­ костью (а) и графики нап­ ряжения на контуре (б)

6

на преодоление силы электрического взаимодействия между его пластинами, равной

си%

(5.8)

2d '

где U — напряжение на конденсаторе; d — расстояние между его пластинами.

При этом, как нетрудно видеть, происходит увеличение напря­ жения на емкости, поскольку при сохранении заряда q = CU ве­ личина U обратно пропорциональна С, т. е.

AU АС Ad /г

Уменьшение расстояния d между пластинами конденсатора в момент, когда напряжение на нем равно нулю, не изменяет энергию поля конденсатора, поскольку его заряд, а следовательно, и энер­ гия, в этот момент равны нулю. При периодическом повторении такого процесса будет иметь место непрерывное увеличение ампли­ туды колебаний на контуре, пока какие-либо нелинейные потери не скомпенсируют увеличение мощности колебаний в контуре за счет энергии источника накачки (рис. 82, б).

Здесь необходимо подчеркнуть, что наличие нелинейных по­ терь в контуре (или в других элементах схемы) весьма существенно для процесса установления колебаний, поскольку в противном слу­ чае нарастание колебаний будет происходить неограниченно вплоть до пробоя конденсатора [22].

В реальных контурах такими нелинейными потерями обычно являются потери на джоулево тепло, пропорциональные PR, где R — активное сопротивление контура. При этом можно считать, что под действием генератора накачки в систему (контур) вносится

191

отрицательное сопротивление

(m*—коэффициент модуляции емкости, равный (Cmax—Cmin)/(Cmax -Ь

димо, чтобы строго поддерживались определенные фазовые соот­ ношения и чтобы частота накачки была в 2 раза выше частоты уси­ ливаемого сигнала, поскольку, например, при увеличении сі в мо­ мент, когда Uc = 0, и уменьшении сі при ІІС= Un1ах будет про­ исходить отбор энергии от контура, т. е. затухание его будет воз­ растать. Строгий расчет, однако, показывает, что даже при произ­ вольном (случайном или закономерном) изменении фазовых соот­ ношений в среднем будет иметь место параметрическое усиление сигнала, причем в случаях, когда отсутствует синхронизация меж­ ду генератором накачки и фазой усиливаемого сигнала (а именно, такие условия и имеют место в действительности) коэффициент усиления в среднем примерно в 2 раза меньше максимально воз­ можного при оптимальном фазовом сдвиге, равном 0, 2л, 4л, ...

При увеличении коэффициента усиления, когда внесенное в контур отрицательное сопротивление по модулю становится боль­ ше положительного сопротивленияJ/?, режим работы усилителя

С,шр

изменяется и из регенеративного переходит в режим параметриче­ ского возбуждения.

В реальных параметрических усилителях обычно в качестве модулируемой емкости 2 используются полупроводниковые диоды, у которых емкость р — п-перехода запорного слоя может изменять­

192

(рис. 83), причем для уменьшения проводимости диода послед­ ний обычно работает при отрицательном смещении, когда свободные электроны в заторможенном слое практически отсутствуют (сопро­ тивление потерь /? ~ (2 ~ 15) Ом).

Аналогичными свойствами обладают р — я-переходы транзис­ торов (коллектор — база) при отрицательном смещении.

где С о — емкость диода при U„ = 0; UK— контактная разность по­ тенциалов; t/CM— напряжение смещения; U —напряжение накачки.

тельно невелико и составляет от нескольких единиц до нескольких десятков процентов.

В табл. 2 приведены ориентировочные значения величины С для параметрических диодов (или триодов), пригодных для работы

база для некоторых типов транзисторов при разных напряжениях смещения Ucu [23 ] 3.

Ввиду очень малой проводимости параметрических диодов при отрицательном напряжении смещения, они фактически ведут се­

3 Для низкочастотного диапазона в качестве параметрических диодов могут быть использованы полупроводниковые диоды типа Д 302—Д 305, емкость перехода для которых составляет сотни пФ [28].

шумовая мощность параметрических диодов (и усилителей) пример­ но на 1—2 порядка меньше, чем для усилителей на электронных лампах. Что касается полупроводниковых триодов, то в них, даже при отсутствии электронного тока, имеют место шумы за счет диф­ фузии носителей заряда через р — «-переходы.

Имеется несколько различных типов схем параметрических уси­ лителей, в зависимости от способа развязки входной и выходной цепей, включения генератора накачки и режимов работы парамет­ рического устройства.

Рассмотрим два основных типа параметрических усилителей — одноконтурные и двухконтурные.

Рис. 84. Блок-схема одноконтурного параметрического усилителя

В одноконтурных регенеративных параметрических усилите­ лях (рис. 84) частота накачки fu должна быть строго в два раза больше, чем частота усиливаемого сигнала, поскольку при незна­

194

С3 5

H I---*

а

Вообще говоря, в одноконтурном параметрическом усилителе при взаимодействии входного сигнала и напряжения генератора накачки в нелинейном элементе — диодной емкости — результи­ рующее напряжение содержит компоненты /у = fu — fs и / 2 = = fa + fs, а именно,

жения с частотами fs и 3fs, что позволяет при достаточно узкой по­ лосе полностью отстроиться от гармоники с утроенной частотой сиг­ нала.

На рис. 85 [26] приведена практическая схема одноконтурного параметрического усилителя, работающего на частоте / = 30 Мгц с применением в качестве рабочей емкости параметрического диода либо перехода коллектор — база транзистора П403, и даны графики коэффициента усиления этого усилителя в регенеративном (б) и сверхрегенеративном (б) режимах работы при чаатоте срыва fcv = = 50 кгц 4.

4 Как изЕестно, в режиме сеерхрегенерации схема периодически (с частотой срыва fcp) вводится в режим генерации и вновь выводится из него, в резуль­ тате чего эквивалентная добротность контура повышается и усиление значи­ тельно увеличивается.

Рис. 86. Блок-схема одноконтурного усилителя с параметрическим контуром и индикатором настройки

Рис. 87. Схемы двухконтурных параметрических усилителей

а — усилитель на разностной частоте; б — усилитель-преобразователь; в — регенератив­ ный усилитель-преобразователь

Параметры схемы следующие: катушка Ьг намотана на гетинаксовом каркасе диаметром 16 мм и имеет 12 витков провода ПЭЛ-1,0 с отводами от первого (1) и 1,5-го (2) витков, считая от ее заземленного конца, причем выходной сигнал может сниматься как со второго отвода (2), так и с емкости С3 — 5 пФ.

Отрицательное смещение диода £/см = —5 В , напряжение ге­ нератора накачки UH= (1 -h 1,1) В при частоте fH= 60 Мгц.

-7- 6) мкГ; катушки L 2 и L3 намотаны рядом на общем каркасе диа­ метром 8 мм, содержащем ферритовый сердечник типа Ф-10, и имеют по три витка провода ПЭЛ-1,0. Диапазон линейной работы уси­ лителя для входных напряжений равен UBX = (0 — 100) мкВ.

Приведем еще одну схему параметрического усилителя, работаю­ щего в диапазоне 2,2—2,7 Мгц (рис. 86) [23]. Данная схема может быть, использована для настройки других типов параметрических

196

усилителей. Параметры элементов этой схемы следующие: индук­

В качестве динамической емкости в этой схеме используется пе­ реход коллектор — база транзистора П1В; коэффициент усиления схемы по напряжению в диапазоне 2,2—2,7 Мгц равен нескольким сотням в простом регенеративном режиме и порядка десятков ты­ сяч в режиме сверхрегенерации, причем перестройка частоты в пре­ делах 1,7—2,6 Мгц осуществляется простым изменением напряже­ ния смещения и оы.

Перейдем теперь к рассмотрению двухконтурных схем парамет­ рических усилителей.

Двухконтурный усилитель (рис. 87 [25]) состоит из двух резо­ нансных контуров L lCl и І.,С 2, между которыми включена нели­ нейная емкость Сѵ, причем один из контуров, например Ь1С1, наст­ роен на частоту входного сигнала fs, другой — на разностную ча­ стоту А- = fu — fs или на суммарную частоту f+=fa+ fs, которые возникают в нелинейной емкости под действием Usи U,t.

Основной отличительной особенностью двухконтурного усили­ теля является возможность применять в нем частоту накачки, не строго равную удвоенной частоте сигнала, а могущую превышать ее в любое число раз при произвольной относительной фазе напря­ жений Us и и п-.

Схема усилителя, приведенная на рис. 87, а, работает следую­

поэтому нелинейный конденсатор окажется под действием сигна­

ном контуре имеет ту же фазу, что и ток входного сигнала, т. е. эта величина не зависит ит фазы напряжения накачки.

Схема усилителя, представленная на рис. 87, б, работает не только как усилитель, но и как преобразователь напряжения сиг­ нала в напряжение с частотой /+= А + /н, которая выделяется на выходном контуре L 2C2. Этот тип усилителя не является реге­ неративным, поскольку мощность от внешнего генератора накачки не передается ни в первый, ни во второй контуры (здесь не выпол­ няются необходимые фазовые соотношения).

Усиление в таком устройстве происходит только за счет того, что частота генератора накачки выбирается большей, чем частота сигнала. При этом напряжение сигнала управляет мощностью ге­ нератора накачки, которая выделяется во втором контуре, путем

197

4? 4

Рис. 88. Практическая схе­ ма двухконтурного парамет­

рического усилителя на ча­ стоту 30 Мгц

менте. Коэффициент усиления такой схемы (по мощности) равен*

сит название схемы регенеративного усилителя — преобразовате­ ля. В этой схеме отрицательное сопротивление вносится как в вход­ ной, так и в выходной контуры, причем наибольшее усиление при­ ходится на разностную частоту /„ — fs, поскольку она больше, чем частота fs.

Коэффициент усиления по мощности для такого усилителя опре­ деляется двумя факторами — регенерацией (т. е. внесением в кон­

усилителя, так и нерегенеративного усилителя — преобразователя. Такой усилитель имеет следующие положительные качества,

которые отличают его от одноконтурного усилителя: -

1)большая устойчивость работы при том же коэффициенте уси­ ления;

2)более широкая полоса усиливаемых частот;

198

3)независимость усилительных свойств от небольших отклоне­ ний частоты /и от ее среднего значения;

4)возможность применять для накачки сигнал с произвольной частотой fiI > fc;

5)развязка входной и выходной цепей за счет различной на­ стройки входного Ь1С1 и выходного L 2C2 контуров, что дает воз­ можность повысить чувствительность такого усилителя.

Все сказанное позволяет сделать вывод, что наиболее перспек­ тивными для предельных измерений в физических экспериментах являются схемы двухкоитурных регенеративных усилителей — преобразователей.

Параметры элементов усилителя следующие: катушка L x на­ мотана на каркасе диаметром 16мм и имеет 17 витков эмалированного провода ПЭЛ-1,0 с отводом от 3/ 4 первого (считая от земли) витка. Катушка L3 намотана на каркасе такого же диаметра и имеет 5 вит­ ков провода ПЭЛ-1,0 с отводом от половины первого витка. Контур I.sCa (Ь2 = 0,5 мГ) настроен на частоту f„ = 144 Мгц.

Данные усилитель имеет очень низкий фактор шума — всего около 0,2 и позволяет получать в сверхрегенеративном режиме

лектор — база транзистора П403. Коэффициент усиления по мощ­ ности составляет около 8—10 при мощности накачки 0,2 Вт.

Катушки А, и Аз намотаны на полистироловых каркасах диа­ метром 1.0 мм и длиной I — 40 мм. Число витков катушки Lx рав­ но 16, она намотана голым медным проводом диаметром 0,7 мм с шагом принудительной намотки h — 1,5 мм. Отвод к источнику сигнала от 5-го витка, считая от заземленного витка.

Катушка Ь3 без каркаса, она содержит 2,5 витка голого медного провода диаметром 1,5 мм.

В заключение настоящего параграфа надо отметить, что пара­ метрические усилители целесообразно применять, если внутреннее

скольку именно в этом случае в полной мере могут проявиться все преимущества таких устройств.

§ 4. Электронные схемы на полевых транзисторах

Полевые транзисторы обладают следующими положительными качествами:

1) низкий уровень собственных шумов, обусловленный отсут­ ствием рекомбинационных эффектов (рекомбинационный или мер­

199

цательный шум за счет флуктуации числа носителей заряда, про­ порциональный току / через переход, скорости рекомбинации sr и ширине полосы Л/ равен

где С, ß и у — постоянные коэффициенты);

2)высокое входное сопротивление (RBX ~ (10 4- 100) Мом на низких частотах), обусловленное обратным сопротивлением диод­ ного перехода затвора;

3)большое усиление и близкие к пентодным вольт-амперные характеристики;

4)малые габариты и высокая надежность работы;

5)возможность устойчивой работы без принятия специальных мер по температурной компенсации режима и в условиях криоген­ ных температур.

Конструктивно полевой транзистор представляет собой пла­ стинку полупроводника р-типа и два р — /г-перехода, причем с про­ тивоположных торцов ^-полупроводника имеются два контакта —

исток и сток (см. рис. 90), которые эквивалентны катоду и аноду обычной вакуумной лампы. Соединенные между собой контакты от двух я-полупроводннков эквивалентны управляющей сетке элект­ ронной лампы и носят название затвора. Под действием электри­ ческого поля, приложенного к р — я-переходу (затвор), изменяет­ ся проводимость «канала» — области между двумя я-полупровод- никами.

Типичные вольт-амперные характеристики полевого транзисто­ ра приведены на рис. 91.

Обычно диффузионные полевые транзисторы имеют крутизну вольт-амперной характеристики ~(0,1 н- 1) мА!В при токе / =

Рис. 90. Структура зон проводимости полевого транзистора

Рис. 91. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора

U^, £/д — напряж ения на «стоке» н «затворе»

гоо