Параметрические усилители

Параметрическим усилителем (ПУ) называется устройство, содержащие колебательный контур, в котором под воздействием внешнего источника (генератора накачки) изменяется энергоёмкий параметр (ёмкость или индуктивность). И за счёт соответствующей организации колебательной системы осуществляется усиление сигнала.

Рассмотрим систему, состоящую из двух заряженных пластин, представляющих собой некую емкость.

Величина заряда этой ёмкости:

Принудительное изменение ёмкости можно представить как изменение (например, увеличение) расстояния между пластинами. Вследствие того, что ёмкость не замкнута, величина заряда будет постоянной, а напряжение , будет увеличивается. В этом случае будет возрастать энергия заряда ёмкости, равная , и энергия (являющаяся, своего рода, источником питания) затраченная на изменение расстояния между обкладками конденсатора трансформируется в энергию заряда. Следовательно, произойдёт увеличение мощности, выделяемой таким конденсатором при разряде через некоторую нагрузку, то есть усиление.

Подобным же образом функционирует и параметрический усилитель. Источником питания (или энергии для изменения ёмкости) для него служит некий высокочастотный генератор накачки, модулирующий ёмкость или индуктивность какого-либо элемента колебательного контура. При таком изменении энергоёмкого параметра в колебательном контуре возникает отрицательное электрическое сопротивление, поэтому параметрические усилители являются разновидностью регенеративных усилителей. Регенеративный усилитель, это усилитель с положительной обратной связью, которая сопровождается внесением в сигнальную цепь отрицательной проводимости. С энергетической точки зрения внесение в сигнальную цепь отрицательной проводимости соответствует перекачке в неё энергии от источника питания усилителя, что позволяет обеспечить усиление по мощности.

Различают полупроводниковые, ферритовые и электроннолучевые ПУ. Полупроводниковые ПУ (ППУ), построенные на основе параметрических диодов (варикапов), получили наибольшее распространение благодаря таким параметрам как небольшая мощность генератора накачки и возможность микроминиатюризации.

Основным элементом ППУ является параметрический диод (ПД), представляющий собой обратно смещённый p-n переход, включенный соответствующим образом в колебательную систему, на который подаётся постоянное напряжение смещения U_СМ и напряжение от генератора накачки, создающее модуляцию ёмкости ПД.

Если на обратно смещённый p-n переход ПД подаётся напряжение накачки, что изменение ёмкости диода можно описать выражением

где М₁=С₁/С₀, М₂=С₂/С₀ – глубины модуляции ёмкости ПД по соответствующим гармоникам частоты накачки.

Глубина модуляции ёмкости зависит от напряжения накачки и может быть определена по вольт-фарадной характеристике ПД. Причём чем больше глубина модуляции, тем больше отрицательное сопротивление вносится в схему.

Вследствие нелинейной зависимости ёмкости ПД от приложенного напряжения в ней могут возникать токи различных комбинационных частот f_m,n=mf_н+ nf_c, где m, n – целые числа.

Если ёмкость не имеет потерь, то распределение мощностей по комбинационным частотам определяется соотношением Мэнли-Роу:

	}

где P_m,n – мощность на частоте f_m,n.

Анализ этого равенства позволяет сделать ряд выводов о свойствах параметрических усилителей. Например, в случае, когда нелинейная ёмкость связывает колебательные цепи, настроенные на частоты f_с, f_н и f_1,1 = f_с + f_н = f₊, то, учитывая соотношения Мэнли-Роу получаем

,

И если в нелинейную ёмкость мощность поступает на частотах f_с и f_н, то она выделяется на частоте f₊, причём при P_с=0 и P₊=0, т.е. система оказывается нерегенеративной. При этом максимальный коэффициент усиления

Параметрические усилители такого типа называют стабильными повышающими преобразователями. Их применение ограничивается тем, что при усилении сигналов диапазона СВЧ трудно добиться больших коэффициентов усиления, т.к. f₊ и f_н оказываются очень высокими.

Рассмотрим пример, когда нелинейная ёмкость связывает колебательные цепи, настроенные на частоты f_с, f_н и f_1,-1 = f_с – f_н = f_–, то, учитывая соотношения Мэнли-Роу получаем

,

или

,

Поскольку цепи частот f_с и f_– с точки зрения параметрического воздействия энергетически эквивалентны, мощность генератора накачки перекачивается в обе эти цепи, или, иначе говоря, отрицательное сопротивление вносится как на частоте f_с, так и на частоте f_–. Следовательно, усилитель такого типа является регенеративным и может обеспечить сколь угодно высокое усиление.

В зависимости от соотношения частот f_с и f_– = f_с – f_н резонансы могут быть в различных колебательных системах, либо, если f_с » f_– , – в одной колебательной системе. В первом случае усилитель называют двухконтурным, во втором – одноконтурным.

В теории регенеративных усилителей было показано, что усилители такого типа могут выполнятся по двум схемам – «на проход» и «на отражение». Последние при прочих равных условиях позволяют получить большее произведения усиления на полосу пропускания при меньшем коэффициенте шума, что определяет целесообразность их практического использования.

В настоящее время наибольшее распространение получили двухконтурные ППУ отражательного типа, поскольку они в отличие от одноконтурных не требуют жёсткой фазировки частот сигнала и накачки и позволяют реализовать низкие шумовые температуры в сочетании с хорошей широкополосностью.

Возможно построение ППУ, который будет осуществлять не только усиление сигнала, но и перенос его частоты, при этом генератор накачки выполняет так же роль гетеродина. В этом случае возможно преобразование частоты как в верх, т.е. с инверсией спектра, так и вниз, без инверсии.

Рассмотрим, в качестве примера типовую функциональную схему двухконтурного ППУ. На вход ППУ сигнал поступает через циркулятор Ц, затем пройдя через резонатор и ФНЧ, отфильтровывающий сигнал с частотой накачки, сигнал поступает на резонатор содержащий ПД. Рабочая точка ПД задаётся с помощью источника постоянного напряжения (ИПН). С другой стороны в резонансную систему поступает напряжение с генератора накачки, прошедшее через вентиль, предотвращающие попадание в генератор накачки сигналов из других резонансных систем и полосовой фильтр ПФ, а так же прошедшее через аттенюатор, регулирующий амплитуду напряжения накачки. Усиленный в резонаторе разностной частоты и ПД сигнал поступает на выход через ФНЧ, резонатор и циркулятор.

Функциональная схема двухконтурного ППУ.