книги из ГПНТБ / Смогилев К.А. Радиоприемники сверхвысоких частот

2. О дн ок он тур н ы й п а р а м етр и ч еск и й у си л и тел ь

Простейшим является одноконтурный параметрический усилитель, в котором под действием внешней силы меняется один из энергоемких параметров: емкость или индуктивность. Наибольшее распространение в последнее время получили усилители, которые в качестве переменной емкости используют емкость р—п перехода запертого полупроводникового диода. Величина указанной емкости перехода изменяется при изме­ нении обратного, запирающего напряжения (рис. 3.45). Удобство такого рода емкости заключается в том, что ее легко можно изменять с помощью переменного напряжения U, за­ пирающего диод.

Рис. 3.45.

Принципиальная схема одноконтурного параметрического усилителя с полупроводниковым диодом в качестве емкости представлена на рис. 3.46. Напряжение частоты / с подается от источника сигнала в колебательный контур через фильтр Фх, настроенный на частоту подкачки / п == 2 / с. Фильтр Фх ослаб­ ляет шунтирующее действие источника сигнала на частоте / п-

Полупроводниковый плоскостной диод, запертый отрица­ тельным напряжением U06P, служит в качестве переменной емкости CK(t). Изменяя напряжение U0бР, перемещают ра­ бочую точку в область быстрых изменений емкости диода С. При выбранном напряжении Ц>бР емкость диода С = С К0.

140

Переменное напряжение подкачки U„, которое воздейст­ вует на диод, изменяя его емкость с частотой подкачки / п — 2 / с, подается в контур через фильтр Ф2Последний настроен на частоту сигнала и уменьшает шунтирующее действие на контур источника подкачки на частоте сигнала. Усиленный полезный сигнал через фильтр Ф3, настроенный на частоту подкачки,

Рис. 3.46.

поступает в нагрузку (Z,,). Фильтр Ф3 снижает шунтирующее действие нагрузки на частоте подкачки. Разделительная ем­ кость Ср выбирается достаточно большой и существенного

влияния на работу усилителя не оказывает.

Эквивалентная схема усилителя с выделенной переменной частью емкости С (0 представлена на рис. 3.47, где выбраны положительные направления отсчетов токов и напряжений. Через переменную емкость C{f) протекает ток, обязанный действию источника сигнала и ток, который появляется вслед­

141

ствие изменения емкости. Указанный ток можно найти, поль­ зуясь известным соотношением для емкостного тока:

. _ d ( C u c) lc~ ~ d T ’

жению на контуре и на емкости. Выполняя в последнем выражении дифференцирование и под­ ставляя значение соответствующих величин, найдем:

А = 1Ш“с + С I S = Ст C0S Шп1Шп и ^ ' тш^ +

-(- Cmsin C0n^mWcCOSU)<4

Знак минус свидетельствует о направлении тока через ем­ кость C(t), обратном выбранному положительному направле­ нию напряжения. Это значит, что емкость С (t) можно пред­ ставить источником тока U, который питает контур и все шунтирующие его элементы, или отрицательной проводимо­ стью, которая, как это следует из (3.84), носит чисто активный характер и равна:

Эквивалентная схема усилителя, в которой переменная ем­ кость представлена генератором тока, приведена на рис. 3.48,

142

Из выражения (3.88) для коэффициента усиления Kv еле- -

дует, что усиление растет с ростом отрицательной проводимо- стиО, которая, в свою очередь, пропорциональна амплитудеСт

изменения емкости. Таким образом, для увеличения усиления необходимо увеличивать амплитуду , Ст изменения емкости. Однако рост Ст'ограничен. Предельная величина Ст нахо­ дится из условия, которое определяет границу области устой­ чивой работы усилителя и которое выражается, очевидно, равенством:

Сэк= G.

Принимая во внимание, что

~ d3 d3

из последнего равенства, найдем:

7 ^ = 2 -ad*.

L ko

144

Таким образом, величина амплитуды изменения емкости контура ограничена условием его.устойчивой работы. Допу­ стимое относительное -.изменение емкости пропорционально эквивалентному затуханию контура d3, которое находится с учетом шунтирующего действия сопротивления источника сигнала и сопротивления нагрузки.

Лр — 100 (20 дб) . Следовательно, параметрические усилители обеспечивают высокий устойчивый коэффициент усиления.

В качестве' колебательного контура параметрического уси­ лителя в зависимости от диапазона можно использовать кон­ туры с сосредоточенными параметрами, коаксиальные и полые объемные резонаторы.

Существенным недостатком рассмотренного одноконтурно­ го параметрического усилителя является чувствительность его к изменению фазовых соотношений между напряжениями сиг­ нала и подкачкой. Указанный недостаток можно устранить добавлением еще одного, «холостого контура».

3. Двухконтурный параметрический усилитель

Двухконтурный параметрический усилитель рис. 3.49 со­ стоит из двух контуров, которые связаны переменной емкостью C(t), являющейся переменным параметром системы. К пер­ вому контуру подключается сопротивление нагрузки. Второй контур «холостой», он играет вспомогательную роль. ,

Усиление колебаний^ в двухконтурном усилителе происхо­ дит следующим образом. От источника сигнала полезное колебание поступает в первый колебательный контур, настроен­ ный на частоту “V Напряжение частоты “i, которое возникает на первом контуре, почти полностью воздействует и на пере­ менную ёмкость С (t), так как второй контур настроен на ча­

сопротивление, которое в первом приближении можно считать равным нулю.

Тогда на емкости С (^.действует напряжение сигнала:

% = Umi sin O i t + тО-

Переменная емкость С (t) под действием напряжения, по­ ступающего от источника подкачки, изменяется с суммарной частотой <*>п = ш1 + ша по гармоническому закону

С = Стsin (<on t + <рп).

Емкость C{t) не обязательно должна изменяться от нуля до максимального значения С т, она может изменяться около некоторого постоянного значения емкости Ск0, которую при определении частот настройки можно считать подключенной параллельно каждому из колебательных контуров усилителя (так как сопротивление второго контура на частоте первого близко к нулю, а сопротивление первого на частоте, второго также близко к нулю).

Ток, протекающий через емкость C(t) под действием на­ пряжения частоты “ i, можно найти, как и в случае однокон­ турного усилителя, пользуясь общим выражением:

Выполняя дифференцирование, после преобразований по­ лучим:

146

Составляющие тока суммарной частоты не представляют интереса, так как в усилителе нет резонансного элемента, на­

строенного на указанную частоту. Составляющие тока разност­

параметром) на холостом контуре действует напряжение раз­ ностной частоты w2 = о)п — ш1.

Емкость C{t) и оба контура включены последовательно, поэтому напряжение на емкости C(t) равно сумме напряже­ ний на обоих контурах:

«с = % + « 2 = Uml sin (ш t + ?г) + Um2sin (со21+ tp2).

Тогда ток,‘протекающий через емкость C{t):

147

Знак минус (3.90) свидетельствует о том, что составляю­ щие тока обеих частот (шг и ы2 ) 1 протекающего через ем­ кость C(t), имеют направление, обратное положительному на­ правлению соответствующих напряжений иг и и2, действую­

щих на указанной емкости. Последнее означает, что перемен­ ная емкость, как и в случае одноконтурного усилителя, являет­

ся источником э.д.с., которая уравновешивается во внешней цепи (на первом и втором контурах).

Таким образом, напряжение чи которое появляется при

разности фаз сигнала подкачки и полезного сигнала To^= cPji—'?i-

<°i = — ш2, фаза которого равна разности фаз сигнала под­ качки и напряжения на холостом контуре%—1¥*=(рп—(%—®i)=9 i,. т. е. равна фазе напряжения, действующего на первом контуре.

Величина преобразованного тока частоты Ш1 пропорцио­ нальна амплитуде изменения переменной емкости.

Рис. 3.50.

Через проводимость нагрузки, которая подключена к пер­ вому контуру, протекает ток, обязанный действию источника сигнала, а также ток, обязанный действию переменной емко­ сти, поэтому наблюдается усиление мощности и напряжения сигнала.

Коэффициент усиления по мощности для этой схемы мож­ но найти, как и в случае одноконтурного усилителя, представ­ ляя переменную емкость C(t) в качестве источника тока ча­ стоты или в качестве отрицательной проводимости.

Эквивалентная схема усилителя представлена на рис. 3.50.

148

В схеме hr' и Gr' — пересчитанные в контур ток и проводи­ мость источника сигнала; действие переменной емкости учтено

/с 1 _ Т о Г Из (рис. 3.50) найдем:

hr ~Ь hЧ G;П

где

0 Э1 = ( 1 + а 12 )(Оэк + G„).

Gm“

Обозначая u 2— ^ q —> с учетом последнего выражения

получим:

или при согласовании, когда параметр связи контура с источ­

149