132 Лекция №13 Регенеративные усилители

Цель:

изучить принцип действия и характеристики полупроводникового параметри­че­ского усилителя (ППУ) и усилителя на тунельном диоде (УТД).

Вопросы:

1. Принцип действия ППУ.

2. Основные типы ППУ. Одноконтурные и двухконтурные ППУ.

3. Характеристики двухконтурного ППУ отражательного типа.

4. Принцип действия УТД.

Материальное обеспечение: проектор, рисунки 13.1 - 13.10.

Литература: [2] - стр. 18 - 201.

Содержание лекции

1 Принцип действия ппу

С начала для простоты принцип действия ППУ рассмотрим с помощью упро­щён­ной модели, состоящей из воздушного конденсатора, пластины которого мож­но механически перемещать.

Рисунок 13.1

В исходном состоянии (рисунок 13.1, а) зарядим конденсатор ёмкостью до напряже­ния. Заряд конденсатораопределяется выражением

.

Энергия, накопленная в конденсаторе, определяется как

.

Раздвинем пластины. Ёмкость конденсатора уменьшится в - раз, где, т.е.

.

(см. рисунок 13.1, б).

Заряд конденсатора при этом останется прежним, т.е.

.

Значит напряжение на конденсаторе возрастёт в - раз, т.е.

.

Условие неизменности заряда можно описать как

.

Определим энергию, накопленную в конденсаторе после уменьшения его ём­кости, т.е.

.

Таким образом, при уменьшении ёмкости в - раз энергия поля конденсатора уве­личивается в- раз. Приращение энергии происходит за счёт внешней силы, раз­двигающей пластины.

Включим конденсатор, ёмкость которого может изменяться, в колебательный контур (рисунок 13.2, а). Когда ёмкость не меняется и равна , то напряжение на нём описывается гармоническим законом (пунктир на рисунке). Если же каж­дый раз, когда напряжение на конденсаторе достигает амплитудного значения, уменьшать ём­кость до, а когда напряжение равно 0, возвращать прежнее зна­чение ёмкости, то напряжение на контуре будет возрастать (сплошная линия на рисунке).

Устройство, изменяющее ёмкость, называется генератором накачки. Мощность сигнала в контуре будет расти до тех пор, пока рассеиваемая мощность на сопротивлении ни станет равной мощности генератора накачки. Из рисунка 13.2, б) следует, что для максимального усиления частота накачки должна быть вдвое вы­ше частоты сигнала, т.е.

.

Изменяющаяся ёмкость является параметром колебательного контура (КК), поэтому такие усилители называются параметрическими.

Рисунок 13.2

Естественно, что управлять ёмкостью механически с частотой, вдвое большей частоты сигнала, невозможно. Поэтому в качестве управляемой ёмкости ис­пользуют ёмкость p - n - перехода полупроводника, которая может меняться внеш­ним элек­трическим напряжением. Поэтому усилители называются полупровод­ни­ковыми. Наиболее часто используется варикап - диод с электрически меняющейся ёмкостью p - n перехода.

На рисунке 13.3 - вольтфарадная характеристика варикапа и характер изменения ёмкости .

Рисунок 13.3

На рисунке:

- исходное напряжение смещения, запирающее диод;

- амплитуда напряжения накачки.

Полное запирание дио­да принципиально необходимо. В данном случае ва­ри­кап используется только как переменная ёмкость. Если диод не запирать, то про­текающий ток будет допол­нительным источником шума, что не допустимо в МШУ.

Напряжение накачки

,

приложенное к p-n - переходу, действует одновременно с усиливаемым сигналом. Ёмкость диода под действием накачки становится функцией времени и её можно представить рядом Фурье, т.е.

,

где - постоянная составляющая ёмкости.

Обычно используют первую гармонику ёмкости, т.е. полагаем:

,

где - коэффициент вариации ёмкости.

Напряжение смещения и амплитуда накачкивыбираются так, чтобы

обес­печить условие

.

В противном случае диод будет периодически от­кры­ваться, через него будет про­текать ток, увеличатся потери, снизится усиление сигнала и как отмечалось, уве­личится коэффициент шума усилителя.

Рисунок 13.4

Полная эквивалентная схема запертого диода - на рисунке 13.4, а), где -

индуктивность ввода диода в резонатор; - ёмкость патрона, куда вставлен диод;- сопротивление потерь;- ёмкостьp - n - перехода.

Элементы ,, - паразитные. Из нихиможно скомпенсировать настройкой внешних колебательных систем. Сопротивлениенеустранимо.Оно-источник тёплого шума.

При анализе схемы удобно пересчитывать в проводимость, подключаемую параллельно. Тогда схема упрощается и принимает вид, показанный на рисунке 13.4, б), где

.

Величина определяется как

,

где - частота настройки контура (резонатора), куда включен диод.