Файл: Радиоприемные устройства учебник..pdf

Так как т' = тСр/Ск1 + Ср <С т, то эффективность действия генератора накачки при наличии емкости контура СК1 будет снижена. Поэтому в схемах параметрических усилителей не только не ставят конденсаторов CKi, а даже принимают специальные конструктивные меры для уменьшения величины емкостей, шунтирующих параметри­ ческий диод.

Для рассмотрения процесса усиления в схемах параметрических усилителей необходимо вычислить ток в нагрузке. В общем случае эта задача связана с составлением на основании законов Кирхгофа дифференциального уравнения цепи и его последующим решением. Такой метод анализа является точным, но громоздким и сложным, поскольку обычно получаются весьма сложные дифференциальные уравнения, решения которых могут быть выражены через гармони­ ческие функции только в виде бесконечных рядов. Практически интен­ сивности отдельных гармоник в этих рядах могут сильно различаться и определяются в первую очередь величинами сопротивлений для этих гармоник в цепях усилителя. Это соображение положено в основу раз­ личных приближенных методов анализа процессов в схемах парамет­

При выборе частоты накачки со2 = 2 сох в составе 1дс будет при­ сутствовать составляющая с частотой сигнала coj. Сложение этой сос­ тавляющей на сопротивлении контура LK1, СК1 с током i lt обусловли­ вает параметрическое усиление сигнала. Действительно, для случая точного равенства <о2 = 2 сох, выражение для тока частоты сигнала, действующего на контур LK1, Ск1, можно записать в виде

ia = /г+ А/х — / t sin (©! £ + 9i) +

Из формулы (4.5) видно, что величина тока tc зависит от глубины модуляции емкости Сд и разности фаз между напряжениями сигнала и накачки. Эта зависимость, связанная с процессом суммирования на сопротивлении нагрузки возникающих в параметрической цепи раз­ личных гармонических колебаний, обусловливает зависимость коэф­ фициента передачи и полосы пропускания параметрических усилите­ лей от параметров колебания накачки. Более рациональное построе-

117

Hvie схемы усилителя позволяет значительно ослабить влияние фазы колебания накачки на процесс усиления сигнала.

Это ослабление связано с формированием приращения тока сиг­ нала Д£а, не зависящего от фазы колебания накачки. Такой эффект в схеме параметрического усилителя можно получить, если исполь­ зовать дополнительную гармонику тока в диоде. Для этого последо­ вательно с контуром, настроенным на частоту сигнала, включают «холостой» колебательный контур L K3, Скз, шунтированный проводи­ мостью g кз. Этот контур настраивают на одну из гармоник тока в диоде. Усилитель, в схему которого введен дополнительный колебательный контур, называется двухконтурным параметрическим усилителем.

о

Рис. 4.6

Схема такого усилителя приведена на рис. 4.6, а. При анализе процес­ сов в этой схеме параметрический диод может быть заменен параллель­ ным соединением конденсаторов постоянной и переменной емкостей, величины которых определены формулой (4.3). В результате получим эквивалентную схему усилителя, изображенную на рис. 4.6, б.

Выбор значения частоты настройки «холостого» контура опреде­ ляет режим работы двухконтурного параметрического усилителя. Часто используют режим с со3 = со2 — сох. Под действием напряже­ ния сигнала и г (t), которое приложено к емкости Сд, в результате па­ раметрического преобразования мощности генератора накачки появ­ ляется, как видно из (4.4), ток разностной частоты м3 = со2— соj с фа­ зой ф3 = ф2 — Фо Этот ток, протекая через «холостой» контур, создает на нем падение напряжения u3{t), которое в свою очередь воздействует на р-п переход диода. В результате возникает вторичное параметри­ ческое преобразование энергии колебаний генератора накачки в энер­ гию усиливаемого сигнала. Таким образом, в схеме на рис. 4.6, б*

*дс — (А С [Ui (/) - f ы3 (/)]}.

! 18

Учитывая (4.3) и (4.4), получаем

1'дс= ■— {тСр cos (со21 + ф2) [t/, cos (содt + фд) —

— U3cos [(oa,— <вх) t + ф2 — + ф,111,

Из выражения (4.8) следует, что величина тока ic не зависит от фазы колебания накачки, но зависит от параметров холостого контура и его настройки. Это в конечном счете определяет зависимость коэффици­ ента усиления и полосы пропускания двухконтурного параметриче­ ского усилителя от параметров и настройки холостого контура.

Процесс суммирования токов в схемах параметрических усилите­ лей при расчетах часто удобно представлять в виде подключения к це­ пи дополнительной отрицательной проводимости. Действительно, ам­ плитуда напряжения сигнала на контуре LKl, Ск1 в рассмотренных цепях имеет вид

+Ян-

Вправой части равенства (4.9) приращение тока А/д заменено отри­

цательным приращением — g эквивалентной проводимости g3l. Это справедливо, если

Для одноконтурной схемы, приведенной на рис. 4.5, а, на основании формулы (4.5) при фа — фд + я = фд

а для двухконтурной схемы, приведенной на рис. 4.6, а, при точной настройке «холостого» контура, т. е. при ф3 = 0, согласно (4.8)

119

В приведенном анализе полупроводниковый диод рассматривался как идеальная нелинейная емкость, в которой отсутствуют тепловые потери. В действительности эквивалентная схема реального полу­ проводникового диода оказывается более сложной. На рис. 4.7 при­ ведена эквивалентная схема точечного полупроводникового диода в за­ пертом состоянии. Такие диоды находят применение в параметрических усилителях СВЧ.

Для существующих типов точечных диодов характерны следующие величины параметров эквивалентной схемы: емкость диода в рабочей

Таким образом, критическая частота характеризует возможность использования параметрических диодов для усиления сигналов в за­ данном диапазоне частот. Критические частоты современных диодов лежат в диапазоне 30—60 ГГц.

Физический принцип параметрического усиления был установлен

впрошлом веке Фарадеем и Релеем. Советские ученые Л. И. Мандель­ штам и Н. Д. Папалекси изучили параметрические явления в элект­ рических цепях и обосновали возможность использования параметри­ ческих систем для генерации и усиления радиосигналов. Последующее развитие теория параметрических систем получила в трудах отечест­ венных и зарубежных ученых и, в частности, в трудах советских уче­ ных А. П. Белоусова, Г. С. Горелика, В. А. Котельникова и многих других. Первые сообщения о практической реализации параметри­ ческих усилителей относятся к 1958 г. Современное состояние теории

итехники параметрического усиления достаточно подробно изложено

в12—5, 10].

120

Баланс мощностей в цепях ППУ и режимы их работы

Параметрические усилители, эквивалентные схемы которых при­ ведены на рис. 4.5, а и 4.6, а, являются простейшими. На практике могут быть реализованы более сложные схемы. Расчет параметров таких усилителей на основе анализа спектрального состава тока в ем­ кости Сд получается достаточно громоздким. В таких случаях с боль­ шей эффективностью может быть использован метод анализа, основан­ ный на рассмотрении баланса средних мощностей отдельных гармоник в цепях параметрического усилителя.

Запертый полупроводниковый диод представляет собой нелинейную емкость, которую можно охарактеризовать некоторой функциональной зависимостью заряда q от напряжения ирп, т. е. q— q(upn). Предполагается, что функциям однозначна, но произвольна. К такой нелинейной емкости в цепях любого пара­ метрического усилителя приложены: напряжение сигнала и напряжение гене­ ратора накачки с частотами о, и со2 соответственно.

Так как выражение (4.13) представляет собой комплексную запись действи­ тельной величины q, коэффициенты разложения Qn; должны удовлетворять сле­ дующим условиям: Qni=Q - л , —/; Qni = Q_„ (Здесь и везде в последую­

щем звездочка означает комплексно-сопряженную величину.)

Ток, протекающий через нелинейную емкость, можно найти, дифференцируя

где п, 1 = 0 , ±1, ±2 ...

Для того чтобы мощность могла подводиться к емкости или отбираться от нее на любой из этих частот, в цепи должна быть нагрузка для соответствующей

частоты.

Рассмотрим баланс средних мощностей в цепи. Если нелинейный конден­ сатор не обладает потерями, то в силу закона сохранения энергии средняя мощ­ ность, потребляемая цепью в целом, должна быть равна арифметической сумме средних мощностей, потребляемых в каждом из элементов цепи. Другими сло­ вами, сумма средних мощностей, выделяющихся в нелинейной емкости, которая является общим элементом цепи, на всех гармониках равна нулю, т. е.

ОО ОО

12!