Полупроводниковые параметрические усилители

Параметрическим усилителем 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 электронно-лучевые параметрические усилители.

Полупроводниковые параметрические усилители (ППУ) в силу ряда положительных свойств (небольшая требуемая мощность генератора накачки,

возможность микроминитюризации и т.д.) получили наибольшее применение. Основным элементом ППУ является параметрический диод, представляющий собой обратно-смещенный p-n-переход, включенный соответствующим образом в колебательную систему, на который подается постоянное смешение и напряжение от генератора накачки, создающее модуляцию емкости. Зависимость емкости диода от приложенного напряжения смещения описывается выражением:

, (5.38)

где - контактная разность потенциалов;

n - параметр, характеризующий нелинейные свойства емкости (для сварных диодов n = 1/2, для диффузионных - n = 1/3).

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

(5.39)

,

где , , - глубина модуляции емкости на соответствующей гармонике частоты накачки.

Вследствие нелинейной зависимости емкости параметрического диода от приложенного напряжения в ней могут возникать токи различных комбинационных частот

, (5.40)

где m, n - целые числа, изменяющиеся от до .

Если емкость не имеет потерь, то распределение мощностей по комбинационным частотам определяется соотношением Менли-Роу

, (5.41)

(5.42)

где - мощность на частоте .

Следует отметить, что соотношения Менли-Роу вытекают из закона сохранения энергии для параметрического усилителя.

Наиболее интересны случаи, когда система работает на трех частотах - частотах сигнала и накачки и одной из комбинационных частот. Обычно комбинационная частота представляет собой либо суммарную либо рапюсшую частоты.

Рассмотрим параметрический усилитель , работающий па суммарной частоте, т.е. комбинационная частота представляет собой сумму частот

сигнала и генератора накачки. Применительно к уравнениям Менли-Роу указанные три частоты можно представить как

, , . (5.43)

Тогда на основании соотношений, Менли-Роу можно записать

, (5.44)

. (5.45)

Режим работы при этом нерегенеративный, т.к. при . Коэффициент усиления по мощности из второго уравнения определяется как

. (5.46)

Параметрический усилитель такого типа наливают стабильным повы­шающим преобразователем. Их применение ограничивается тем, что при усилении сигналов диапазона СВЧ трудно добиться достаточно больших коэффициентов усиления.

Рассмотрим пример, когда через нелинейную емкость связываются колебательные цепи, настроенные на частоты , , .

В соответствии с соотношениями Менли-Роу имеем

, (5.47)

. (5.48)

или (5.49)

Отсюда следует, что цепи частот , сточки зрения параметрического воздействия энергетически эквивалентны, мощность генератора накачки перекачивается в обе эти цепи или, другими словами, отрицательная проводимость вносится как на частоте сигнала, так и на разностной частоте.

Следовательно, параметрические усилители такого типа являются регенеративными.

В зависимости от соотношения частот и резонансы могут быть либо в различных колебательных системах, либо, если в одной колебательной системе.

В первом случае параметрический усилитель называют двухконтурным (контура, настроенные на частоту накачки не учитываются), во втором случае - одноконтурным.

Наибольшее распространение получили двухконтурные ППУ отража­тельного типа, поскольку в отличие от одноконтурных ППУ не требуют жесткой фазировки частот сигнала и накачки и позволяют реализовать низкие шумовые температуры в сочетании с хорошей широкополосностью.

Структурная схема параметрического усилителя может быть представ­лена в следующем виде (рис. 5.9).

1 - 4-плечий циркулятор;

2 - высокочастотным трансформатор;

3 - сигнальный контур,

4 - фильтр нижних частот;

5 - подстройка контура разностной частоты;

6 - контур разностной частоты;

7 - генератор накачки;

8 - источник постоянного

смешения;

ПД- параметрический диод;

С_бя - блокировочная

емкость;

СН - согласованная нагрузка.

Рис.5 9

Структурная схема парамет­рического усилителя

Напряжение сигнала на ППУ поступает через циркулятор 1 из антенно-фидерной системы, усиленный сигнал направляется циркулятором в последующие каскады приемника. Согласованная нагрузка включается в 4-ое плечо циркулятора и позволяет повысить стабильность усиления ППУ по сравнению со случаем использования в нем трехплечего циркулятора.

Резонансная система двухконтурного ППУ состоит из цепей сигналь­ного , разностной частот и частоты накачки , а также органов их регулирования.

В тракт сигнальной частоты включают высокочастотный трансформатор 2, обеспечивающий требуемую связь сигнального резонатора 3 с входным плечом циркулятора. В эту же цепь часто включают фильтр нижних частот 4, предотвращающий прохождение в сигнальный тракт частот , и и одновременно устраняющий влияние регулировок сигнального контура на остальные цепи.

Параметрический диод (ПД) является элементом связи между контурами сигнальной 4 и разностной 6 частот. Рабочая точка ПД задается внешним источником постоянного напряжения 8, который закорачивается по высокой частоте С_бя.

Генератор накачки включает в себя не только автогенератор, но и элементы развязки (вентили).

Усилители на туннельных диодах (УТД)

Основными достоинствами этих усилителей является:

- достаточно низкий коэффициент шума при высокой широкополосно-сти;

- малая потребляемая мощность от источника питания;

- возможность реализации в гибридно-интегральном исполнении.

В настоящее время УТД обеспечивают работу в диапазоне частот до 20 ГГц и при усилении 13÷20 дб с коэффициентом шума 5÷6 дб в полосе 10÷15 % от несущей.

Эффект отрицательного сопротивления создается за счет выбора рабочей точки на падающем участке вольт-амперной характеристики туннельного диода (ТД). Значение отрицательного сопротивления и этом случае определяется наклоном вольт-амперной характеристики на падающем участке

(5.50)

и составляет для реальных приборов несколько десятков Ом.

Рис.5 10

Для устранения низкочастотных релаксаций внутреннее сопротивление источника питания ТД следует выбирать так, чтобы

(5.51)

где - внутреннее сопротивление источника постоянного тока.

Обычно выбирают .

Для устойчивой работы необходимо, чтобы на частоте усиливаемого сигнала выполнялось условие положительности общего сопротивления контура на резонансной частоте.

Коэффициент передачи на резонансной частоте определяется выражением

, (5.52)

где .

Полоса пропускания усилителя равна

. (5.53)

Основными источниками шумов являются:

-дробовые шумы открытого p-n-перехода;

-тепловые шумы сопротивления потерь ;

Коэффициент шума определяется по формуле

. (5.54)

Отсюда следует, что коэффициент шума УТД тем меньше, чем меньше значение и .

Конструктивно УТД выполняются весьма разнообразно в зависимости or диапазона частот и требований, предъявляемых к ним по габаритам и массе.