§ 3.3. Регенеративные мшу диапазона свч

Многие из применяющихся в настоящее время малошумящих усилителей являются регенеративными усилителями, или усилителями с положительной обратной связью, которая сопровождается внесением в сигнальную цепь отрицательной проводимости. Поэтому часто их называют усилителями с отрицательной проводимостью (G_) или усилителями с отрицательным сопротивлением (/?_). С энергетической точки зрения внесение в сигнальную цепь отрицательной проводи-

мости соответствует перекачке в нее энергии от источника питания усилителя, что позволяет обеспечить усиление по мощности.

В зависимости от физической основы создания эффекта отрицательной

проводимости регенеративными могут быть квантовые парамагнитные усилители, параметрические усилители, транзисторные усилители и т. д. Они характеризуются рядом общих свойств, которые рассматриваются далее.

Регенерирующий элемент (РЭ), входящий в состав любого усилителя

с положительной обратной связью, н< сигнальной частоте может быть пред ставлен эквивалентной схемой, пока занной на рис. 3.19, а. При повыше нии уровня внешнего воздействия например мощности накачки в пара метрических усилителях, происходи-уменьшение активного сопротивленш РЭ (рис. 3.19, б) и после компенсацш собственных потерь г, РЭ будет имет! отрицательное входное сопротивле ние. В зависимости от его значения i сигнальной цепи будет наблюдатьс! усиление сигнала, причем если про исходит компенсация вносимых актив ных сопротивлений (нагрузки ш сигналу), то усилитель возбуждается В регенеративных СВЧ-усилите лях регенерирующий элемент обычш

Рис. 3.20

включается в колебательную систему (в простейшем случае одиночный резонансный контур), определенным образом связанную с источником сигнала и нагрузкой. В общем случае эта связь может осуществляться через одну или две пары зажимов. Соответственно различают отражательные и проходные регенеративные усилители. Отражательные усилители для разделения приходящей волны сигнала и усиленной отраженной сигнальной волны предполагают использование невзаимных устройств — фер-ритовых циркуляторов. Упрощенная структурная схема отражательного усилителя с циркулятором (Ц) представлена на рис. 3.20. Коэффициент усиления по мощности этого типа усилителей определяется квадратом модуля коэффициента отражения от резонатора с регенерирующим элементом:

.(3.52)

где Я_отр — мощность отраженной волны сигнала; Р,_1ад — мощность сигнала от источника; Z_BX — входное сопротивление резонатора с регенерирующим элементом; Z₀ — волновое сопротивление плеча циркуля-тора.

Эквивалентные схемы отражатель- / ного и проходного усилителей пока- / Залы соответственно на рис. 3.21, а, б. Для эквивалентной схемы отражатель-тельного усилителя характерно то, что в ней присутствует лишь одно вносимое сопротивление R₀ = R_r — = R_H. Это объясняется тем, что резонатор подключается к одному плечу циркулятора и сопротивления генератора и нагрузки, вносимые в контур, оказываются физически совмещенными.

Для оценки практического использования двух рассматриваемых схем регенеративных усилителей проанализируем их основные характеристики — усилительные, полосовые и шумовые.

Коэффициент усиления по мощности проходного усилителя определяется выражением

Кр = Р„/Р_г._П0м-

Здесь Р_н = EIRJ\Z\² — мощность сигнала, выделяемая в нагрузке усилителя; Z = R_r + R_H + r_s — /?_ + + jX — полное сопротивление сигнального контура в месте включения регенерирующего элемента; Р_Г._Н01Л — номинальная мощность источника сигнала, причем Рг.ном ⁼ E$/4R_r. Отсюда следует, что

(3.53)

При резонансе выражение (3.53) переходит в

(3.54)

Вводя коэффициент регенерации, определяемый отношением вносимого отрицательного сопротивления к пол- I

ному активному сопротивлению нагруженного контура:

y^R-/(R_r+R» + r_s), (3.55)

получим

(3.56)

Если резонансная система усилителя представляет собой одиночный колебательный контур, для которого вблизи резонансной частоты обобщенная расстройка £ = 2BQ, где 6 —

= 2Лсо/со₀, a Q ^ _(/?|, ' ^ ^ ~

нагруженная добротность сигнального контура, то относительная полоса пропускания по уровню половинной мощности будет определяться выражением

2pV₅ = (!-?)/(3.57)

Поскольку рассматриваемый усилитель охвачен положительной обратной связью, оценим площадь его усиления \^гКр~₀ 200,5. Из (3.56) и (3.57) получаем

Проводя аналогично анализ отражательного усилителя, можно показать, что для него

Сравнение выражений (3.59) и (3.60) показывает, что отражательные усилители при прочих равных условиях характеризуются большей широ-кополосностью и, следовательно, в этом отношении имеют преимущества по сравнению с проходными.

Подчеркнем, что одним из основных недостатков всех регенеративных усилителей является их относительная узкополосность, вытекающая из соотношений (3.59), (3.60).

Действительно,' поскольку | Kro X X 2р_{0 5} — величина постоянная, с

ростом коэффициента усиления пол са пропускания усилителей сужае ся. На практике при усилении К_Р0 — 134-20 дБ относительная поло пропускания регенеративных усил телей обычно составляет единицы пр центов. Для расширения полосы пр пускания регенеративных усилител! используют специальные коррект рующие цепи или более сложные рез нансные системы, которые позволя! расширить полосу пропускания 30—40% от несущей.

Проанализируем шумовые сво ства регенеративных усилителей. Пр мем в первом приближении, чтооснс ным источником внутренних шум являются тепловые шумы сопроти ления потерь r_s регенерирующе элемента. Такое приближение в бол шей степени справедливо для пар метрических и квантовых парамапп ных усилителей, в которых дробов шумы практически отсутствуют.

Используя введенное в § 2.5 onf деление дифференциального коз фициента шума (2.34), запишем егс виде

(3.6

При стандартной температу (300 К) источника сигнала

Для проходного регенеративнс усилителя имеем

где T_s — температура сопротивлен потерь л, регенерирующего элемен' К; Т_н — эквивалентная шумов температура сопротивления нагруз] К.

Подставляя последние выражени и (3.54) в (3.61), получаем

Учитывая связь коэффициента шума К_ш ^с эквивалентной шумовой температурой Т_т (2.35), запишем

Г_ш._Прох = г. TjR_r + R_H TjR_r. (3.63)

Из (3.62), (3.63) следует, что в проходном усилителе шумы нагрузки регенерируются равноправно с шумами сопротивления потерь и ухудшают шумовые характеристики усилителя, причем значение Т„ зависит от типа следующего за регенеративным усилителем каскада. Если это диодный смеситель, то значение Т„ может достигать (3-МО) • 10³ К, что существенно ухудшает параметры К_ш ^и Т_ш усилителя. Для уменьшения вклада шумов нагрузки и повышения устойчивости проходного усилителя между ним и нагрузкой часто включают вентиль, находящийся при температуре Т₀. Тогда

Тш.про* = r_a TjR_r 4- R„ TjR_r. (3.64)

Для отражательного усилителя при аналогичных условиях имеем:

Если коэффициент регенерации V-> 1 и R₀ = R_r, получаем

(3.66)

Сравнение выражений (3.66), (3.64) показывает, что отражательные усилители имеют более низкие собственные шумы и в большей мере при-

годны для осуществления малошумя-щего усиления сигналов. Учитывая, сказанное ранее относительно широкополосное™ отражательных и проходных усилителей, можно сделать вывод о предпочтительном использовании в приемных устройствах усилителей отражательного типа.