Файл: Грабовски, К. Параметрические усилители и преобразователи с емкостным диодом.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 16.10.2024

Просмотров: 119

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

 

 

 

CO,

 

Mj

1

^2,2

(6.57)

COo

COj

#3,3 (Mi)

 

=

#з.з (Mi) .

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

A =

- 1

5 1

 

COi

M i

 

(6.58)

C00

Mi CU!

Яз.з (Mi)

#3,3 ( M ; ) .

 

 

 

B

=

I

S I 2

 

Mi

M i

]

(6.59)

 

 

 

 

#3,3 (Mi)

#3.2 (Mi) .

 

Из зависимостей

(6.55) и (6.56) видно, что для полной

изоляции

входа от выхода ( Z 1 2 = 0) при сохранении передачи мощности со входа

на выход (Z2 1 Ф 0) достаточно

выполнить

условие

 

 

 

Z (со0) =

\Х (м0 ) -

]В

 

(6.60)

и, кроме того, импеданс Z в схеме на рис. 6.3 должен быть чисто ре­ активным и иметь индуктивный характер на частоте м0 . Легко убе­ диться, что если эту реактивность выбрать так, чтобы удовлетворялось условие (6.60), то имеем не только

Z 1 2 = 0,

(6.61)

но и

 

 

Z 2 1 =

2]В Ф 0,

(6.62)

что свидетельствует о передаче

мощности

с входных клемм на вы­

ходные.

 

 

Входной и выходной импедансы в этом случае равны (6.40), (6.51), (6.54):

 

 

 

ZBX

=

Rl -

А + j В -

j ( S 0 / c o 0 ) +

Z x

К )

,

 

(6.63)

 

 

ZBUX =

Rl1

-

A + \B— (So'/fflo) +

2 2

(M0 ).

 

(6.64)

Для

выполнения согласования

на входе и выходе усилителя при

сохранении ранее принятого условия настройки

в

резонанс

Z l j X ( c o 0 )

и Z 2 I 2 ( M 0

) импедансы генератора

и нагрузки

должны составлять:

 

Z r

=

Z L =

Rl — А — } В - f - j (S0 /(o0 ) +

Z l (м0 ),

(6.65)

 

Z H a r p

=

z L x = Д " = A—]B + ] {Sl0]/w0)+Zl

 

(м0 ).

(6.66)

Собственные импедансы входного и выходного контуров в случае

резонанса и согласования на входе и выходе будут равны

 

 

Z

M

(coo) -

 

(м0 ) =

2Rl + 2RX (Mo)

-

А,

(6.67)

 

Z 2

I 2

( ш 0 ) =

Я 2

, 2 (co0 ) =

2R\l + 2R2 (co0 ) —

A.

(6.68)

При сделанных допущениях (6.51) — (6.53),

(6.58) и полученных

результатах (6.59) достижимое усиление по мощности для усилителя выражается простым соотношением

£21 2

Re [ Z r ]

В2

(6.69)

Z11

R e [ 2 B b l x ]

[R\ 4 - # I ( M 0 ) -A] [ # ' 4 # 2 ( M 0 ) -A

 

192

К условиям (6.51) — (6.53) добавим еще условие симметрии, а именно, примем, что входной и выходной контуры идентичны, тогда

Rl

= Rll

= Rs,

 

(6.70)

Ri

(wo) =

Я 2

Ы =

Rz,

(6-71)

Rr=Ru*vj>

=

RTO =

R. + Кг — А.

(6.72)

Тогда формула для усиления имеет следующий вид:

 

 

Ge=

-

=

4 - .

(6.73)

Подставляя вместо В и ^ г 0 соответствующие выражения, получаем

в окончательном виде

 

 

 

 

q

= f

CQpCOi CU!

(Rs-^Rz)

Ra.s

(to,) R3,3

(a>i)

"

I

I S |2

© i / ? , . 3 ( m i ) + ( 0 j « 8 . a ( 0 ) i )

 

 

СО^з.з (OJi)—СОг^з.з ( C O ; ) ] - 2

(6 74)

 

 

ffll^3.a(t0l)+0Ji tf3,3(C0i)J

 

 

 

Для получения бесконечно большого усиления необходимо, чтобы

выполнялось условие

 

 

 

 

 

J £ = - «

г ^

-

п

( 6 . 7 5 )

Последнее условие, как легко убедиться, одновременно является условием уменьшения вещественной части импедансов генератора и нагрузки до нуля (6.63), (6.64), (6.70), (6.71), что является предель­ ным случаем, практически нереализуемым. Тем не менее он дает пред­ ставление об очень больших возможностях усилителя в интервале до­ стижимых коэффициентов усиления по мощности1 ).

Для расчета эффективной входной температуры шума усилителя необходимо в систему уравнений (6.39) подставить вместо возбуждаю­ щих напряжений Un эквивалентные напряжения тепловых шумов в каждом из звеньев усилителя на соответствующих частотах. Средне­ квадратичные значения этих напряжений составляют, соответственно, во входном контуре

. [ Т О

=

4 И у ? 8 Д /

+

4kTzRzAf,

(6.76)

в выходном

 

 

 

 

 

 

 

U2m

|2

=

4kTKRsAf

+

4kTzRzAf,

(6.77)

в холостом

 

 

 

 

 

 

 

£/3,,ш

|2 =

8kTRRsAf

+

4kTzR3

(о>,) А/,

(6.78)

Uа, 1ш I 3

=

MTRRSД/

+

4kTzR

„ {щ) Д/,

(6.79)

] ) Из приведенных формул следует, что для произвольно большого ограни­ ченного достижимого усиления по мощности вещественные части входного и вы­ ходного импедансов усилителя больше нуля.

7 Зак. 1235

193

где, как и ранее, Tz— температура внешних цепей относительно диода, находящегося при температуре Т д . Поскольку корреляция между спек­ тральными плотностями мощности шумов, возникающих от каждого из источников, не наблюдается, то эффективная входная температура шума усилителя может быть представлена следующей зависимостью1 ':

Te=T0(jE^

+ T E ^ + Щ ^ + ТЁ^2)/\Е2Кг,0\\

(6.80)

где каждая составляющая представляет собой среднеквадратичное значение напряжения шумов на выходе (первый индекс 2) ненагруженного усилителя, возникающего из-за тепловых шумов в соответ­ ствующем контуре (второй индекс--1, 2 или 3) либо на сопротивлении RT, находящемся при нормальной температуре Т0 (выражение в зна­ менателе), на соответствующей частоте (третий индекс — 0, I, 1).

Из зависимостей (6.45), (6.61), (6.62), (6.70) — (6.72), (6.76) полу­

чаем

| £ 2 1 > 0 |а = 4 М / В 2 (TRRS + TZR2)/(RS

+ Rz - Af.

(6.81)

Аналогично после многих алгебраических преобразований из вы­ ражений (6.39), (6.51)—(6.53), (6.60), (6.70)—(6.72), (6.78), (6.79) по­ лучаем формулы

 

 

 

 

I ^ 2 3 ,

1 I" —

 

 

 

^

k Л/ 1 S

I " {R33

(a,)

[2RS +

2RZ-A

-В]—2

| 5 |«/ш„

cof

X

 

 

o\RU(ai)Rl3((al)[Rll

 

+

Rt-AP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х 1 2 Т д Я в 4 - П Я з К ) ] ,

 

 

(6.82)

 

 

 

 

I ^ 2 3 ,

i I"

—

 

 

 

_

kLf\S\*

{RS3

(щ)

[2Rs +

2Rz-A

+

B]±\S)*/u0ai X

 

 

alRlaWRhioJlRi

 

+

Rz-A]*

 

 

 

 

 

ХрТ^.+Т^зЫ.

 

 

 

 

(6.83)

Для напряжения E 2 r

о, в

соответствии

с его

определением,

по аналогии с (6.81) получим

r

(Rs +

Rz-A)*

r

Rs

+ Rz-A

K

>

Напряжение

£ 2 2 0 равно

Uiu

 

 

 

 

 

 

I £ 2 2 , о I 2 -

4/г Af [Тя

Rs

+ Tz

i? J .

 

(6.85)

1 } Эта зависимость вытекает непосредственно из определения эффективной шумовой температуры, а также из определения | £ m , n , f t |2 в (6.80). Появляющаяся в числителе и знаменателе одна и та же действительная величина выходного импеданса согласно эквивалентной схеме Тевеиина сокращается.

194

После подстановки этих величин в (6.80) получим

 

 

 

 

 

 

2 I S I

+

 

Я 2 Яг

lffl?/?§s(aj

 

С0„ CDj Я33 (COj)

 

 

2 I S I

 

2 Т д Л 8 +

 

Т 2 7 ? 3 ( Ш 1 ) Г

|S| 2

Г

 

(6.86)

В

 

Яг

 

 

Ш а>1#33 (<*>!

2

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

Если контуры усилителя

не имеют потерь,

т. е. когда

 

/ ? 1

= 7 ? з К ) =

/ ? з Ю

= 0,

Raa(<o1)=R33(col)

= 2Rl,

(6.87)

 

 

 

^ ы „ г )

J'fat+f)

 

 

Входной

Холостой

Выходной

контур

. контур

контур

Рис. 6.4. Эквивалентная схема

направленного параметрического усилителя Мау-

 

рера и Лехерера.

 

выражение (6.86)

упрощается:

 

 

 

 

Т

е

=

 

1

+

2

—

+

J

 

 

 

 

 

+

9i,o I 2

/ г .

шг

k ( . o | s

2 +

Ml

} , (6.88)

 

 

2 —

 

 

 

 

 

«и

I <7i, о I

 

 

» o l ? i , o|

 

причем для того чтобы усилитель был согласованным и не возбуждал­

ся, необходимо выполнить

условие

 

K

/ c o ^ l ^ o l ^ l .

(6.89)

Маурер и Лехерер [18, 20] теоретически и экспериментально ис­ следовали схему параметрического усилителя, работающего согласно рассмотренному принципу (рис. 6.4). На рис. 6.5 показан внешний вид такого усилителя, который предназначен для однонаправленного уси­ ления метровых волн (со0 = 2я-200 Мгц, сои = 2л • 940 Мац) и вы­ полнен на контурах с сосредоточенными постоянными. В центре полосы усиление составляет в одном направлении 8 дб, а в противоположном — 40 дб; температура шума Те = 520° К при неохлажденных диодах типа ОА1122 с последовательным сопротивлением Rs = 3 ом и эластансом 5 = 1 , 1 (пф)~г при напряжении смещения — 3 в. Наименьшие до­ стигнутые коэффициенты стоячей волны на входе и выходе усилителя равны, соответственно, 1,35 и 2,0, а это свидетельствует о том, что прак-

7*

195

тически нельзя согласовать генератор с нагрузкой усилителя. Полоса усилителя составляет около 6 Мгцг\

Рассмотрим проект усилителя, предназначенного для работы в диапазоне СВЧ и выполненного на контурах с распределенными по­ стоянными. Принципиальной трудностью при реализации такого уси­ лителя, как и при реализации любой многоконтурной параметриче­

ской схемы,

является

обеспече­

ние соответствующей связи

ва-

ракторных диодов

с тремя

вза­

имно

изолированными

конту­

рами:

сигнальным,

холостым

и накачки. Очень

удобно

так

выбирать частоты сигнала

и на­

качки,

чтобы

в отдельных кон­

турах

(цепях)

максимально

использовать

 

естественные

фильтрующие

свойства

некото­

рых типов волноводов. Посколь­

ку, однако, частота

сигнала

со0

обычно

задана,

то

остается

Рис. 6.5. Экспериментальная

модель

направленного

усилителя

Маурера и

 

Лехерера.

 

 

 

выбрать только частоту накачки со,,. Основным критерием этого вы­ бора является необходимость получения как можно меньшего отно­ шения со0/сй;, благодаря чему достигается низкая температура шума усилителя и большое усиление. Напомним, что условие расположения частоты сигнала в диапазоне L имеет еще один смысл: однонаправлен­ ность усилителя позволяет сконструировать на его основе параметри­ ческий циркулятор со значительно лучшими свойствами, чем кольце­ вые мосты или труднодоступные в этом диапазоне ферритовые циркуляторы. Допустим далее, что частота накачки находится в диапазоне X.

Упрощенная конструкция схемы усилителя

(опущены элементы

настройки)

представлена на рис. 6.6. Сигнальные

контуры

усилителя

1 1 Экспериментальные результаты

существенно ниже теоретически воз ­

можных, Те

= 500° К и хуже, ч е м у современных транзисторов.

Это

связано

с тем, что в

1963 г., когда производились

работы [18, 20], еще не были

известны

«детские болезни» параметрической техники и шумовых измерений. С появлением хороших циркуляторов и С В Ч транзисторов другие направления были оставлены.

Плохие параметры схемы объясняются тем, что в ней авторы пытались по­ лучить, как это было модно в то время, очень большое усиление —-/10 дб, и не смогли х о р о ш о настроить схему. Более правильно было бы ограничиться уси ­ лением 10—15 дб, после чего поставить либо циркулятор (здесь большие потери не опасны) или невзаимный транзисторный каскад, или второй параметрический каскад. (Прим. ред.)

196

Смотрите также файлы