А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Па амет ические сияитеяи 157 при периодическом изменении емкости контура колебания в нем не могут быть гармоническими, но, если относительные ее изменения невелики, то и отличия колебаний в контуре от гармонических незначительны. Допуская, что это имеет место, положим для простоты, что частоты сигнала и накачки связаны соотношением ы, = (ы„, а сдвиг з фаз между колебаниями напряжения сигнала и изменением емкости таков, что емкость убывает с наибольшей скоростью, когда напряжение сигнала принимает экстремальные значения, и увеличивается с наибольшей скоростью, когда напряжение сигнала проходит через нуль. Графики изменений напряжения сигнала и относительного изменения емкости при выполнении этих условий приведены на рис.
6.19 (соответственно сплошная линия и пунктир). Так как за исключением отдельных моментов времени напряжение на конденсаторе отлично от нуля, пластины конденсатора взаимно притягиваются вследствие действия кулоновских сил. Для уменьшения емкости конденсатора генератор накачки раздвигает его пластины. При этом совершается работа против сил кулоновского притяжения за счет энергии генератора накачки.
При увеличении емкости пластины конденсатора сближаются. В это время работа совершается силами притяжения пластин, т. е. за счет энергии конденсатора. В первом случае энергия передается от генератора накачки конденсатору. Во втором случае энергия передается в обратном направлении. При выбранных фазовых соотношениях меж- „(гу ду колебаниями сигнала и накачки уменьшение аС(гу и(П емкости происходит при напряжении сигнала, аС(Н С с о г близком к экстремальному, а увеличение емко- а з г ( г сти — при напряжении сигнала, близком к нулю.
! ( l Следовательно, при раздвигании пластин конденсатора сила их притяжения существенно боль- ! з ( ( г ше, чем при сближении. Поэтому энергия, по! ( г х лучаемая колебательным контуром при уменьшении емкости, должна быть больше энергии„отца- Р с 6 19 Графи изменения иапряваемой колеб льным кон УРом пРи У еличении женил'си' а'И емко.',"и п.ри"Я,ередаче емкости. Таким образом, в итоге каждого перио энергии от генератора накачки к сигиада изменения емкости колебательный контур по- лу лучает от генератора накачки некоторое количество энергии. Поступление энергии в колебательный контур приводит к увеличению амплитуды колебаний сигнала, т.
е. к его усилению. Поскольку описанный механизм усиления не связан с процессом транспортировки зарядов, в параметрических усилителях отсутствует дробовой эффект, являющийся одним из основных источников шумов в обычных усилителях. Основным источником шумов в параметрическом усилителе являются тепловой шум эквивалентного сопротивления потерь реактивного элемента. Зтот шум при рациональной технологии изготовления таких элементов может быть значительно меньше собственного шума обычных усилителей. Поэтому параметрические усилители могут иметь существенно более высокую чувствительность, что является их большим преимушеством и объясняет неослабевающий интерес к ним. Наиболее широкое применение параметрические усилители находят в приемных устройствах диапазона СВЧ, где создание высокочувствительных усилителей встречает наибольшие трудности.
Впервые идея использования параметрического воздействия на электрические системы для усиления и генерации радиосигналов была предложена Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси в 30-х годах. Ими же была создана строгая теория параметрического усиления и возбуждения колебаний. В 1955 г.
Б. М. Вул предложил использовать в качестве переменной реактивности емкость р-п-перехода, к которому наряду с запирающим напряжением смещения приложено высокочастотное напряжение. Благодаря этому р — и-переход может бьггь использован в параметрических усилителлх в качестве 158 Глава 6. Усилители елект ических и оптических сигналов конденсатора с периодически изменяющейся емкостью.
При этом энергия, необходимая для усиления сигнала, отбирается от высокочастотного генератора напряжения. Отличие р — п-перехода от рассмотренного выше конденсатора заключается лишь в том, что изменение емкости достигается не путем механического перемещения пластин, а вследствие перемещения частиц заряженных в кристалле полупроводника под действием электрического поля, создаваемого генератором накачки. Диоды, изготовленные специально для использования в качестве управляемых электрическим напряженнем конденсаторов называются варикапами.
Вообше говоря, в параметрических усилителях емкость варикапа изменяется не только под действием напряжения генератора накачки, но и под влиянием напряжения сигнала. Однако на практике параметрические усилители используют только для усиления малых сигналов. Реально амплитуда напряжения сигнала на варикапе может достигать 10 ' — 10 ' В. В то же время напряжение накачки обычно имеет величину порядка 0,1-1 В. Таким образом, напряжение сигнала в параметрическом усилителе обычно много меньше напряжения накачки.
Поэтому можно приближенно считать, что емкость варикапа изменяется, главным образом, под действием большого напряжения накачки, а малый сигнал на нее практически не влияет. Это означает, что для малого сигнала варикап вместе с генератором накачки эквивалентен линейному конденсатору, емкость которого периодически изменяется во времени с частотой генератора накачки. Одиоконтуриый параметрический усилитель Известны несколько разновидностей параметрнче- 1П> ского усилителя.
Наиболее простым из них является так называемый одноконтурный усилитель, упрощенная схема которого показана на рис. 6.20. Основным его элементом является варикап Ухз, который вместе с катуш- УР кой индуктивности Ь образует колебательный контур, д я Все источники потерь энергии в контуре будем учиты- У вать включением резистора В параллельно колебатель- гго ному контуру. Последовательно с варикапом включены источник постоянного запираюшего напряжения смешения Ц, и генератор напряжения накачки с„. Запирающее напряжение необходимо для того, чтобы предотвратить протекание через р — и-переход варикапа прямых токов во время положительных полупериодов напряжения накачки 1 ок в цепи варикапа нежелателен по двум при Рис.
6.20. ОлноконтУРный пачинам. Во-первых, протекание тока через р-и-переход неизбежно связано с появлением дробовых шумов. Во-вторых, при этом резко снижается активное сопротивление р-п-перехода, что приводит к уменьшению добротности колебательного контура н связанному с этим уменьшению напряжения сигнала. Будем считать, что напряжение сигнала мало по сравнению с напряжением накачки, Тогда варикап, генератор накачки и источник смешения можно заменить линейным конденсатором, емкость которого изменяется с частотой накачки. Сделав такую замену, получим эквивалентную схему одноконтурного параметрического усилителя для малого сигнала (рис.
6.18). Усиление сигнала в одноконтурном усилителе проявляется в том, что при включении накачки амплитуда напряжения сигнала на контуре увеличивается. При резонансе амплитуда колебаний, вызванных действием генератора сигнала с заданной амплитудой, определяется лишь величиной сопротивления потерь. Поэтому можно утверждать„ что изменение емкости с частотой накачки эквивалентно подключению к колебательному контуру усилителя некоторого отрицательного сопротивления, которое частично компенсирует положительное сопротивление потерь. При этом возрастает эквивалент- 159 6.8. Па аметрические силители ная добротность колебательного контура усилителя и амплитуда напряжения сигнала на контуре тоже увеличивается.
Коэффициент усиления К„по напряжению определим как отношение амплитуды бг напряжения сигнала на колебательном контуре при включенном напряжении накачки к амплитуде У, напряжения сигнала на контуре усилителя при выключенном напряжении накачки У К„= —. и Пусть на колебательный контур усилителя поступает сигнал, ток которого можно записать в форме (, = 1, соз(ы, + ~р,), где Х, и ы, — соответственно амплитуда и частота, (З, — начальная фаза сигнала. Будем считать, что внутреннее сопротивление генератора сигнала учтено в величине сопротивления Я. Положим для простоты, что контур имеет добротность Я» 1 и настроен на частоту сигнала.
Если генератор накачки выключен, то усилитель превращается в обычный колебательный контур и амплитуда напряжения сигнала на нем с учетом резонансной настройки контура равна Уо = Е,К. (6.76) Найдем теперь амплитуду сигнала У при условии, что генератор накачки включен и изменяет емкость варикапа по закону (6.77) С(Г) = Со+ С, созю„Ф, где С, — постоянная составляющая емкости варикапа, С, — амплитуда изменений емкости варикапа под действием генератора накачки.
Поскольку колебательный контур настроен в резонанс на частоту сигнала, напряжение сигнала и, на колебательном контуре изменяется в фазе с током и может быть записано в виде и, = исоа(ы, + р„), где амплитуда У пока не определена. Это напряжение создает на емкости варикапа заряд д, причем д = С(Г)У сов(ы, + р), (6.78) где емкость варикапа С(г) определена соотношением (6.77). Комбинируя соотношения (6.77) и (6.78), после несложных преобразований получим д = СоУсоз(ь,( + у ) + пзСО Усох[(ы„— ыД( — у,] + гпСОУсоз[(ы„+ ы )Ф + у,]. Здесь величина гл = С,/2С, имеет смысл коэффициента модуляции емкости варикапа под действием напряжения накачки.
Дифференцируя выражение для заряда, найдем ток (, протекающий через варикап (6.79) где (, = — ыСоз(п(м,(+ у,), (, = — (ы„— ы,)тС~Р з(п[(м„— ы,)à — р,], з, = -(ю„+ м,)гпСоУ з)п[(ю„+ ы,)й + р,]. Составляющая (, не зависит от глубины модуляции емкости варикапа т и, следовательно, соответствует току при равном нулю напряжении накачки. Эта составляющая имеет частоту сигнала ы,. Составляющие тока (, и („ пропорциональные гл, появляются благодаря изменению емкости варикапа с частотой накачки. Они изменяются во времени Глава 6. усилители елекг ических и оптических сигналов !ВО с комбинационными частотами (ы„— ы,) и (ы„+ ы,).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
