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)