Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 121
Скачиваний: 0
Рис. 82. Колебательный контур с изменяемой ем костью (а) и графики нап ряжения на контуре (б)
6
на преодоление силы электрического взаимодействия между его пластинами, равной
си%
(5.8)
2d '
где U — напряжение на конденсаторе; d — расстояние между его пластинами.
При этом, как нетрудно видеть, происходит увеличение напря жения на емкости, поскольку при сохранении заряда q = CU ве личина U обратно пропорциональна С, т. е.
AU АС Ad /г
Уменьшение расстояния d между пластинами конденсатора в момент, когда напряжение на нем равно нулю, не изменяет энергию поля конденсатора, поскольку его заряд, а следовательно, и энер гия, в этот момент равны нулю. При периодическом повторении такого процесса будет иметь место непрерывное увеличение ампли туды колебаний на контуре, пока какие-либо нелинейные потери не скомпенсируют увеличение мощности колебаний в контуре за счет энергии источника накачки (рис. 82, б).
Здесь необходимо подчеркнуть, что наличие нелинейных по терь в контуре (или в других элементах схемы) весьма существенно для процесса установления колебаний, поскольку в противном слу чае нарастание колебаний будет происходить неограниченно вплоть до пробоя конденсатора [22].
В реальных контурах такими нелинейными потерями обычно являются потери на джоулево тепло, пропорциональные PR, где R — активное сопротивление контура. При этом можно считать, что под действием генератора накачки в систему (контур) вносится
191
отрицательное сопротивление
Г~ |
in* |
(5.10) |
2шС |
(m*—коэффициент модуляции емкости, равный (Cmax—Cmin)/(Cmax -Ь
+ |
Cmin) — AС/С), которое уменьшает затухание контура (повыша |
|
ет |
его |
добротность). |
|
Для |
нормальной работы параметрического усилителя необхо |
димо, чтобы строго поддерживались определенные фазовые соот ношения и чтобы частота накачки была в 2 раза выше частоты уси ливаемого сигнала, поскольку, например, при увеличении сі в мо мент, когда Uc = 0, и уменьшении сі при ІІС= Un1ах будет про исходить отбор энергии от контура, т. е. затухание его будет воз растать. Строгий расчет, однако, показывает, что даже при произ вольном (случайном или закономерном) изменении фазовых соот ношений в среднем будет иметь место параметрическое усиление сигнала, причем в случаях, когда отсутствует синхронизация меж ду генератором накачки и фазой усиливаемого сигнала (а именно, такие условия и имеют место в действительности) коэффициент усиления в среднем примерно в 2 раза меньше максимально воз можного при оптимальном фазовом сдвиге, равном 0, 2л, 4л, ...
При увеличении коэффициента усиления, когда внесенное в контур отрицательное сопротивление по модулю становится боль ше положительного сопротивленияJ/?, режим работы усилителя
С,шр
изменяется и из регенеративного переходит в режим параметриче ского возбуждения.
В реальных параметрических усилителях обычно в качестве модулируемой емкости 2 используются полупроводниковые диоды, у которых емкость р — п-перехода запорного слоя может изменять
ся в зависимости от |
величины приложенного к ней напряжения |
2 Возможны усилители с |
изменяемой индуктивностью. |
192
(рис. 83), причем для уменьшения проводимости диода послед ний обычно работает при отрицательном смещении, когда свободные электроны в заторможенном слое практически отсутствуют (сопро тивление потерь /? ~ (2 ~ 15) Ом).
Аналогичными свойствами обладают р — я-переходы транзис торов (коллектор — база) при отрицательном смещении.
Зависимость емкости диода от напряжения |
при отрицательном |
||
смещении выражается формулой |
|
||
С = |
_____ Со |
(5.11) |
|
UH |
|||
|
|
||
|
1+ 2(UK+ UCM) Sin (ОцІ |
|
где С о — емкость диода при U„ = 0; UK— контактная разность по тенциалов; t/CM— напряжение смещения; U —напряжение накачки.
Если Uи « |
2 (UK+ |
t/см), то |
|
|
|
|
С ~ |
Со (1 — яг* sin сйді1) |
(5-12) |
(здесь |
яг* = |
АС/С„, ЛС = (СтаХ — Ст1п)/2. Обычно |
изменение |
|
емкости |
под действием напряжения генератора накачки сравни |
тельно невелико и составляет от нескольких единиц до нескольких десятков процентов.
В табл. 2 приведены ориентировочные значения величины С для параметрических диодов (или триодов), пригодных для работы
в различных |
частотных диапазонах, |
R s и мощность накачки, а в |
||
|
|
Т а б л и ц а 2 |
|
|
Диапазон. Мгц |
Е м кость, |
Солротнвле- |
Мощность |
|
С, пФ |
нне утечки, |
н ак ач к и , |
||
|
|
|
R s > Ом |
мВт |
|
1 — 10 |
51—30 |
_ |
1—2 |
20—50 |
10— 15 |
15—20 |
2—5 |
|
|
150 |
3—6 |
10— 15 |
10 |
табл. 3 даны |
значения |
параметров емкости перехода коллектор — |
база для некоторых типов транзисторов при разных напряжениях смещения Ucu [23 ] 3.
Ввиду очень малой проводимости параметрических диодов при отрицательном напряжении смещения, они фактически ведут се
бя. как |
конденсаторы, для которых эквивалентное сопротивление |
|
шумов |
/?w равно сопротивлению потерь R s ~ (2 |
15) Ом, т. е. |
3 Для низкочастотного диапазона в качестве параметрических диодов могут быть использованы полупроводниковые диоды типа Д 302—Д 305, емкость перехода для которых составляет сотни пФ [28].
7 Л. И. СлабкнА |
193 |
|
|
|
Т а б л и ц а 3 |
|
||
|
|
|
Емкость |
перехода |
С < -о - ІіФ |
|
и см ■ в |
П 14 |
П 105 |
П4 03 |
П4 05А |
П408 |
П4 1 1 |
|
||||||
0 |
_ |
150 |
22,5 |
10 |
26 |
10 |
0,1 |
80 |
138 |
14 |
7 |
24 |
7,5 |
0,3 |
64 |
122 |
11 |
6 |
20 |
5,8 |
0,о |
52 |
104 |
9 |
5 |
17 |
5,4 |
1,5 |
40 |
80 |
7,5 |
4 |
13 |
4,5 |
5,0 |
26 |
45 |
5 |
3 |
8 |
4 |
10,0 |
22 |
30 |
4,5 |
2 |
6,5 |
3,2 |
шумовая мощность параметрических диодов (и усилителей) пример но на 1—2 порядка меньше, чем для усилителей на электронных лампах. Что касается полупроводниковых триодов, то в них, даже при отсутствии электронного тока, имеют место шумы за счет диф фузии носителей заряда через р — «-переходы.
Имеется несколько различных типов схем параметрических уси лителей, в зависимости от способа развязки входной и выходной цепей, включения генератора накачки и режимов работы парамет рического устройства.
Рассмотрим два основных типа параметрических усилителей — одноконтурные и двухконтурные.
Рис. 84. Блок-схема одноконтурного параметрического усилителя
В одноконтурных регенеративных параметрических усилите лях (рис. 84) частота накачки fu должна быть строго в два раза больше, чем частота усиливаемого сигнала, поскольку при незна
чительных отклонениях от равенства /,г = 2/у. усиленный |
сигнал |
||||
будет |
содержать |
«зеркальную |
помеху», частота |
которой |
равна |
fs — /и - Эта помеха является вредной, поскольку |
при fs ~ |
ве |
|||
личина |
Afs — fu |
может попасть |
в полосу пропускания усилите |
||
ля, что приведет |
к появлению биений выходного сигнала. |
|
194
С3 5
H I---*
м |
____Ш __ |
0,7 0,8 |
0,3 1,0\ UH,B |
а
Рис. 85. Схема одноконтурного |
параметрического |
|
|||
усилителя с использованием перехода |
коллектор — |
|
|||
база транзистора П403 в качестве нелинейной ем |
|
||||
кости Сѵ параметрического |
контура |
(а) и графики |
Генерация |
||
зависимости коэффициента усиления |
K{UU) от нап |
||||
|
|||||
ряжения для регенеративного (б) |
и сверхрегенера- |
|
|||
тивиого (в) режимов работы |
усилителя |
|
Вообще говоря, в одноконтурном параметрическом усилителе при взаимодействии входного сигнала и напряжения генератора накачки в нелинейном элементе — диодной емкости — результи рующее напряжение содержит компоненты /у = fu — fs и / 2 = = fa + fs, а именно,
Us = —- — cos (соJ + ср) sin сои/ = |
|
||
cöj ДС |
|
|
|
= о |
lsin t2n (/“ - fs) t - |
ФіНsin [2JT (/„ + fs) t + Фі]}> |
(5.13) |
однако при |
выборе f„ = 2fs |
остаются только компоненты |
напря |
жения с частотами fs и 3fs, что позволяет при достаточно узкой по лосе полностью отстроиться от гармоники с утроенной частотой сиг нала.
На рис. 85 [26] приведена практическая схема одноконтурного параметрического усилителя, работающего на частоте / = 30 Мгц с применением в качестве рабочей емкости параметрического диода либо перехода коллектор — база транзистора П403, и даны графики коэффициента усиления этого усилителя в регенеративном (б) и сверхрегенеративном (б) режимах работы при чаатоте срыва fcv = = 50 кгц 4.
4 Как изЕестно, в режиме сеерхрегенерации схема периодически (с частотой срыва fcp) вводится в режим генерации и вновь выводится из него, в резуль тате чего эквивалентная добротность контура повышается и усиление значи тельно увеличивается.
195 |
7 * |
Рис. 86. Блок-схема одноконтурного усилителя с параметрическим контуром и индикатором настройки
Рис. 87. Схемы двухконтурных параметрических усилителей
а — усилитель на разностной частоте; б — усилитель-преобразователь; в — регенератив ный усилитель-преобразователь
Параметры схемы следующие: катушка Ьг намотана на гетинаксовом каркасе диаметром 16 мм и имеет 12 витков провода ПЭЛ-1,0 с отводами от первого (1) и 1,5-го (2) витков, считая от ее заземленного конца, причем выходной сигнал может сниматься как со второго отвода (2), так и с емкости С3 — 5 пФ.
Отрицательное смещение диода £/см = —5 В , напряжение ге нератора накачки UH= (1 -h 1,1) В при частоте fH= 60 Мгц.
Дроссель Др имеет |
60 витков провода ПЭЛ-0,2, |
намотанных |
на каркасе диаметром |
6 мм, и имеет индуктивность |
LBP = (5 -f- |
-7- 6) мкГ; катушки L 2 и L3 намотаны рядом на общем каркасе диа метром 8 мм, содержащем ферритовый сердечник типа Ф-10, и имеют по три витка провода ПЭЛ-1,0. Диапазон линейной работы уси лителя для входных напряжений равен UBX = (0 — 100) мкВ.
Приведем еще одну схему параметрического усилителя, работаю щего в диапазоне 2,2—2,7 Мгц (рис. 86) [23]. Данная схема может быть, использована для настройки других типов параметрических
196
усилителей. Параметры элементов этой схемы следующие: индук
тивность |
контура |
L = 25 мкГ, разделительная емкость С\ = |
= 3500 |
пФ, Ua = |
(0,3 ч- 1) В. |
В качестве динамической емкости в этой схеме используется пе реход коллектор — база транзистора П1В; коэффициент усиления схемы по напряжению в диапазоне 2,2—2,7 Мгц равен нескольким сотням в простом регенеративном режиме и порядка десятков ты сяч в режиме сверхрегенерации, причем перестройка частоты в пре делах 1,7—2,6 Мгц осуществляется простым изменением напряже ния смещения и оы.
Перейдем теперь к рассмотрению двухконтурных схем парамет рических усилителей.
Двухконтурный усилитель (рис. 87 [25]) состоит из двух резо нансных контуров L lCl и І.,С 2, между которыми включена нели нейная емкость Сѵ, причем один из контуров, например Ь1С1, наст роен на частоту входного сигнала fs, другой — на разностную ча стоту А- = fu — fs или на суммарную частоту f+=fa+ fs, которые возникают в нелинейной емкости под действием Usи U,t.
Основной отличительной особенностью двухконтурного усили теля является возможность применять в нем частоту накачки, не строго равную удвоенной частоте сигнала, а могущую превышать ее в любое число раз при произвольной относительной фазе напря жений Us и и п-.
Схема усилителя, приведенная на рис. 87, а, работает следую
щим |
образом. Сигнал на разностной частоте /н — А |
будет |
усилен |
(по |
напряжению) на контуре L 2C2, настроенном на |
эту |
частоту, |
поэтому нелинейный конденсатор окажется под действием сигна
лов сразу трех частот: А> /„ и |
— fs, причем сигнал с |
частотой |
|||
/н — А, взаимодействуя вновь с напряжением накачки £/„ = |
U (/н), |
||||
создает во входном |
контуре |
добавочное напряжение с частотой, |
|||
равной частоте сигнала, что и обусловливает усиление. |
При |
этом |
|||
происходит как бы |
двойное преобразование частоты |
А + |
/н |
||
/н — А (А — А) + |
/н -»-А в первом контуре. |
|
во |
вход |
|
Можно показать, |
что добавочная составляющая тока |
ном контуре имеет ту же фазу, что и ток входного сигнала, т. е. эта величина не зависит ит фазы напряжения накачки.
Схема усилителя, представленная на рис. 87, б, работает не только как усилитель, но и как преобразователь напряжения сиг нала в напряжение с частотой /+= А + /н, которая выделяется на выходном контуре L 2C2. Этот тип усилителя не является реге неративным, поскольку мощность от внешнего генератора накачки не передается ни в первый, ни во второй контуры (здесь не выпол няются необходимые фазовые соотношения).
Усиление в таком устройстве происходит только за счет того, что частота генератора накачки выбирается большей, чем частота сигнала. При этом напряжение сигнала управляет мощностью ге нератора накачки, которая выделяется во втором контуре, путем
197