§ 3.4. Полупроводниковые параметрические усилители

Параметрическим усилителем (ПУ) называется устройство, содержащее колебательный контур, в котором под воздействием внешнего источника (генератора накачки) изменяется энергоемкий параметр (емкость или индуктивность) и за счет соответствующей организации колебательной системы осуществляется усиление сигнала.

Различают полупроводниковые, ферритовые и электроннолучевые ПУ. Полупроводниковые параметрические усилители (ППУ) в силу ряда положительных свойств (небольшая требуемая мощность генератора накачки, возможность микроминиатюризации и т. д.) получили наибольшее практическое применение. Основным элементом ППУ является параметрический диод (ПД), представляющий собой обратно смещенный р-п-переход, включенный соответствующим образом в колебательную систему, на который подается постоянное напряжение смещения — U_CM и напряжение от генератора накачки, создающее модуляцию емкости ПД. Эквивалентная схема ПД и его вольт-фарадная характеристика приведены на рис. 3.22, б, в. Зависимость емкости

диода от приложенного напряжения смещения описывается выражением

(3.67)

где ф_к — контактная разность потенциалов; п — параметр, характеризующий нелинейные свойства емкости ПД (для сварных диодов п — = 1/2, для диффузионных диодов п = 1/3).

Элементы С„, L,, эквивалентной схемы характерны для дискретных приборов и могут быть в определенной степени скомпенсированы соответствующим выбором параметров резонансной системы параметрического усилителя. При гибридно-интегральном исполнении ППУ и применении бескорпусных ПД элементы С„ и L„ можно не учитывать и, поскольку

обычно fl_o6p ^: j7 > ^ ^эквива" лентную схему ПД удобно представить в виде, показанном на рис. 3.22, в.

Если на обратно смещенный р-п-переход ПД подается напряжение накачки, то изменение емкости диода можно описать выражением

С (t) — Со+С, cosco_H t+C₂^cos 2(о„ ... = С„ (1 + Ж, cos (о_н t + + /И.,cos 2(o„t + ...),

где M_t = Ci/C₀, М₂ = С₂/С₀ — глубины модуляции емкости ПД по соответствующим гармоникам частоты накачки.

Очевидно, глубина модуляции емкости зависит от напряжения накачки и может быть определена из конкретного вида зависимости (3.67), причем чем больше глубина модуляции, тем большее отрицательное сопротивление вносится в схему.

Вследствие нелинейной зависимости емкости ПД от приложенного напряжения в ней могут возникать токи различных комбинационных частот 7т,_л = mf„ + nf_c, где т, п — целые числа, изменяющиеся от —оо до + оо.

Если емкость не имеет потерь, то распределение мощностей по комбина-

ционным частотам определяется cooi ношением Мэнли—Роу:

(3.68

где Р_т, _п — мощность на часто!

/ m, л •

Анализ равенств (3.68) позволяв сделать ряд выводов о свойствах т раметрических схем. Так, например в случае, когда нелинейная емкост связывает колебательные цепи, hj строенные на частоты /_с, /_н и /,_л = = /с + /н ~ /+. ^из (3.68) получае

PJU+ />+//+ - о, pjf_c + p₊/f₊ = о.

(3.6$

Пусть в нелинейную емкость мои ность поступает на частотах /_с Д.. Тогда, как следует из (3.69), ot выделяется на частоте /₊, приче при Р_г — 0 и Р₊ - 0, т. е. систе\ оказывается нерегенеративной. Пр этом максимальный коэффициент yci ления

K_P=P+/Pc-f₊/fc-

(3.7

Параметрические усилители так го типа называются стабильными п вышающими преобразователями. V применение ограничивается тем, ч' при усилении сигналов диапазо! СВЧ трудно на основании (3.70) д биться достаточно больших коэфф циентов усиления.

Рассмотрим пример, когда чер нелинейную емкость связываются к лебательные цепи, настроенные i частоты /_с, /_н и /,,_, = /„ — /с / В соответствии с (3.68) имеем

pjf_n+/>_//_ - о, pjf_c - P-if. = о

(3.7

или

Pjf_c = />_//_, Pjf_H = -/>_//_ =

- -Pjfc-

Отсюда следует, что, поскольку цепи частот /_с и /_ с точки зрения параметрического взаимодействия энергетически эквивалентны, мощность генератора накачки перекачивается в обе эти цепи или, иначе говоря, отрицательное сопротивление вносится как на частоте /_с, так и на частоте Следовательно, параметрический усилитель такого типа является регенеративным и в принципе может обеспечивать сколь угодно большое усиление.

В зависимости от соотношения частот /с и f_ = Д, — /_с резонансы могут быть либо в различных колебательных системах, либо, если Д_ да да /_с, — в одной колебательной системе. В первом случае параметрический усилитель называют двухконтур-ным, во втором — одноконтурным.

Как отмечалось в § 3.3, регенеративные усилители могут выполняться по двум схемам — «на проход» и «на отражение». Последние при прочих равных условиях позволяют получить большее произведение усиления на полосу пропускания при меньшем коэффициенте шума, что определяет целесообразность их практического использования.

Наибольшее распространение в настоящее время получили двухконтур-ные ППУ отражательного типа, поскольку они в отличие от одноконтур-

ных ППУ не требуют жесткой фази-ровки частот сигнала и накачки и позволяют реализовать низкие шумовые температуры в сочетании с хорошей широкополосностью. Типовая функциональная схема двухконтур-ного ППУ с циркулятором показана на рис. 3.23. Напряжение сигнала поступает на ППУ через циркулятор 1 из антенно-фидерного тракта, а усиленный сигнал направляется циркулятором в последующие усилительно-преобразовательные каскады приемника. Согласованная нагрузка включается в четвертое плечо циркуля-тора и позволяет повысить стабильность усиления ППУ по сравнению со случаем использования в нем трех-плечего циркулятора. Резонансная система двухконтурного ППУ состоит из цепей сигнальной /_с, разностной /_ частот и частоты накачки /_н, а также органов их регулирования. В тракт сигнальной частоты включают высокочастотный трансформатор 2, обеспечивающий требуемую связь сигнального резонатора 3, который имеет элемент подстройки 4, с входным плечом циркулятора. В эту же цепь часто включают фильтр нижних частот 5, предотвращающий прохождение в сигнальный тракт частот /„, /_ и одновременно устраняющий влияние регулировок сигнального контура на остальные цепи. Резонанс на разностной частоте осуществляется либо за счет реактивных составляющих ПД, либо контуром 7 с регулировкой 8. Параметрический диод является элементом связи между контурами сигнальной и разностной частот. Рабочая точка ПД задается внешним источником постоянного напряжения 6, который в месте подключения ПД закорачивается по высокой частоте блокировочным конденсатором С_ол-Тракт накачки ППУ в общем случае состоит из генератора накачки 15, ферритового вентиля 14, развязывающего Цепи настройки от генератора, аттенюатора 13, с помощью которого изменяют мощность накачки на ПД, а также цепей настройки и согласования. В эти цепи входят фильтр

верхних частот (или полосовой фильтр) 9, высокочастотный трансформатор 12 и резонансная система 10 с соответствующей настройкой 11.

В конкретных схемах и конструкциях ППУ могут отсутствовать отдельные элементы подстроек и регулировок усилителя. Так, например, в гибридно-интегральных ППУ практически не применяются внешние механические регулировки, тракт накачки включает лишь генератор на диоде Ганна или лавинно-пролетном диоде, полосовой фильтр и трансформирующие цепи, обеспечивающие получение на ПД требуемого уровня мощности накачки. Топологическая схема и конструкция одного из вариантов гибридно-интегрального ППУ показаны на рис. 3.24. Усилитель работает в диапазоне частот 2,2—2,3 ГГц и при усилении Кр 20 дБ имеет шумовую температуру Т_ш 190 К.

Основные свойства двухконтурно-го отражательного ППУ можно выявить на основе анализа его эквивалентной схемы, представленной на рис. 3.25. Коэффициент усиления схемы определяется выражением (3.52) либо из (3.53). С учетом того, что в отражательном усилителе сопротивления R_r\\ R„ физически совмещены и соответствуют R„, имеем

где Z — комплексное сопротивление сигнального контура.

Входное сопротивление нелинейной емкости Z_c на частоте сигнала в данном типе ППУ определяется выражением

(3.72)

где Z,_a_ = r_t + jX_a — полное комплексное сопротивление контура разностной частоты.

Отсюда, учитывая элементы эквивалентной схемы, получим выражение

Рис. 3.24

для полного сопротивления контура сигнальной частоты:

Подставляя (3.73) в (3.53), найда полосу пропускания усилителя в слу чае, когда его резонансная система н частотах f_c и f_ образована одиноч ными резонансными контурами:

(3.7£

Рис. 3.25

Здесь Q_c, Qo, — нагруженные добротности сигнального контура и контура разностной частоты.

Рассмотрим шумовые характеристики ППУ с помощью рис. 3.25. Считаем, что дробовые шумы в усилителе отсутствуют, поскольку ПД смещен в обратном направлении и основными источниками шумов являются резисторы. Кроме того, положим, что температура внутреннего сопротивления источника сигнала равна Т₀, а сам усилитель находится при температуре Ту, отличной от Т₀. Шумы контура разностной частоты, пересчитанные в сигнальный контур, определяются выражением

(3.76)

Тогда, учитывая определение дифференциального коэффициента шума (3.61) и связь его с шумовой температурой (2.35), получим

Таким образом, шумовая температура двухконтурного отражательного ППУ зависит от соотношения частот со_с и G)_, а также от термодинамической температуры, при которой находится усилитель.

Рассмотрим подробнее зависимость (3.77) с учетом того, что ППУ должен обладать достаточно большим коэффициентом Кр- В этом случае Y « 1 и R₀ да R_ — г, и на основании (3.77) найдем выражение для от-

')• (3.77)

носительной шумовой температуры ППУ:

(3.78)

Вводя понятие критической частоты параметрического диода о>_кр =

М / 1 \

= -~ которая физически соот-

ветствует максимальной частоте одноконтурного ППУ, преобразуем формулу (3.78) к виду

(3.79)

Обозначим а = со_/а)_с, b = со_кр/со_с. Тогда

(3.80)

Графики этой зависимости приведены на рис. 3.26. Минимальное значение шумовой температуры ППУ при известных Т_у, о)_с и со_кр соответствует минимуму функции (3.80), который

имеет место при а_0Пт == \^Ь² + 1 — — 1. Таким образом, оптимальное соотношение сигнальной и разностной частот

откуда с учетом равенства (й_н = == со_с + о)_ получаем оптимальное с точки зрения минимизации шумовой температуры ППУ значение частоты генератора накачки:

(3.82)

На основании выражений (3.81) и (3.79) находим шумовые характеристики оптимизированного двухконтурного ППУ, работающего на отражение:

При выполнении условия ы_кр > > (о_с минимум функции (3.80) является пологим и выбор частоты генератора накачки не столь критичен с точки зрения получения минимальной шумовой температуры ППУ.

В случаях, когда требуемое значение Г_ш при Ту = Т₀ (неохлаждае-мый усилитель) не достигается, единственной возможностью снижения шумовой температуры является охлаждение ППУ до низких температур. Обычно для этих целей используют жидкий азот (Т = 78 К). Однако при этом существенно усложняется конструкция ППУ и ухудшаются его эксплуатационные параметры. Типовое значение Т_т ППУ, охлаждаемых до температуры Г = 78 К, составляет 20—40 К.