10.7. ДВУХКОНТУРНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Принципиальная схема двухчастотного или, как его часто называют, двухконтурного усилителя изображена на рис. 10.16. Первый, сигнальный, контур настраивается на центральную частоту спектра сигнала (резонансная частота ), а второй, «холостой», контур — на частоту сора, достаточно сильно отличающуюся от .

Частота накачки выбирается из условия

(10.43)

При выборе частоты исходят из условия, что частота сигнала находится вне полосы прозрачности вспомогательного контура. Но комбинационная частота должна находиться вне рабочей полосы сигнального контура.

При выполнении этих условий на сигнальном контуре будет существовать лишь одно напряжение частоты , а на вспомогательном контуре — частоты . Считая амплитуды этих напряжений малыми по сравнению с можно заменить нелинейную емкость , совместно с генератором накачки, линейной параметрической емкостью , изменяющейся с частотой , как это было сделано в § 10.5.

Рис. 10.16. Двухчастотный параметрический усилитель

Тогда под воздействием напряжения сигнала в цепи переменной емкости возникает (помимо других составляющих, не представляющих в данном случае интереса) ток

(10.44)

[см. 10.36)]. Здесь .

На сопротивлении холостого контура ток создает падение напряжения

Эквивалентную ЭДС, воздействующую на емкость С запишем, как и в § 8.16 [см. (8.99)], в форме

Комбинационный ток обусловленный этой ЭДС, по аналогии с выражением (10.44) будет

(10.45)

Заметим, что фаза накачки и частота (он в выражении (10.45) отсутствуют.

С учетом приведенного выше соотношения для последнее равенство можно записать в форме

Как видим, по отношению к сигнальному контуру нелинейная емкость вместе с генератором накачки и холостым контуром может быть замещена проводимостью, учитывающей найденный ток

Комплексная амплитуда этого тока

Комплексная амплитуда напряжения на сигнальном контуре Следовательно, проводимость, шунтирующая сигнальный контур, будет

(10.46)

где — функция комплексно-сопряженная функции

Для резонанса, когда следовательно, сопротивление вспомогательного контура будет и формула (10.46) принимает вид

(10.47)

На схеме замещения, представленной на рис. 10.17, элементы, расположенные слева от штриховой линии, соответствуют сигнальному контуру усилителя, а справа — нелинейной емкости вместе со вспомогательным конту ром. Полученная схема по существу совпадает со схемой одноконтурного усилителя (см. рис. 10.15). Различие лишь в способе определения эквивалент ной отрицательной проводимости.

Подробности, связанные с определением комбинационных колебаний и приведены с целью привлечения внимания к следующим преимуществам двухконтурного усилителя:

а) эквивалентная отрицательная проводимость, а следовательно, и усиление мощности не зависят от фазы напряжения накачки.

б) не требуется соблюдение определенного соотношения между частотами

Оба эти свойства двух контурного усилителя объясняются тем, что полная фаза комбинационного тока в выражении (10.45), определяющая характер эквивалентной проводимости по существу является разностью фаз напряжений накачки . Первая из них имеет вид а вторая (без учета ). При образовании разности выпадает, а разностная частота в любом случае совпадает с частотой сигнала (поскольку ).

Коэффициент усиления двухконтурного усилителя при резонансной частоте можно определить из выражения, аналогичного формуле (10.40):

(10.48)

где вычисляется по формуле (10.46), — проводимость нагрузки сигнального контура.

При отклонении частоты сигнала от резонансной частоты и соответственно частоты от модуль сопротивления уменьшается, что приводит к уменьшению модуля и, следовательно, коэффициента усиления мощности.

Основываясь на выражении (10.46), можно вычислить АЧХ и полосу пропускания двухконтурного усилителя.

Условие устойчивости усилителя в данном случае можно записать в форме

или

Рассмотрим энергетический баланс в двухчастотном усилителе в зависимости от соотношения частот Пусть заданы частота и мощность сигнала на входе усилителя. Так как с повышением вспомогательной частоты модуль отрицательной величины увеличивается [см. (10.46)], то и также растет [см. (10.48)]. Мощность сигнала на выходе усилителя

Для определения требуемой мощности генератора накачки Рсон, а также мощности выделяемой во вспомогательном контуре, воспользуемся теоремой Мэнли-Роу. На основании выражения (7.104) можно записать следующие соотношения:

(Знак минус в последнем выражении опущен, так как очевидно, что эта мощность отбирается от генератора накачки.) Соотношение мощностей иллюстрируется рис. 10.18. Из этого рисунка видно, что на вспомогательном контуре выделяется мощность, большая, чем на сигнальном. Таким образом, хотя с повышением частоты мощность и растет, распределение мощности, отбираемой от генератора накачки, изменяется в пользу частоты Несмотря на это, часто работают в режиме так как при усилении слабого сигнала основное значение имеет не степень использования мощности , а отношение мощности

Для иллюстрации количественных соотношений в двухчастотном параметрическом усилителе приведем следующий пример.

Пусть требуется осуществить усиление сигнала на частоте при ширине спектра

Исходные данные первого (сигнального) контура: характеристическое сопротивление Ом; внутреннее сопротивление источника сигнала, шунтирующее контур, ; сопротивление нагрузки .

Исходные данные второго (холостого) контура: резонансная частота ; характеристическое сопротивление Ом; сопротивление нагрузки .

Прежде чем вычислять требуемую вариацию емкости варикапа, найдем предельную величину проводимости которую можно подключать к сигнальному контуру при заданной ширине спектра сигнала

Максимальная добротность сигнального контура (при шунтировании отрицательной проводимостью), очевидно, не должна превышать

При результирующая проводимость, шунтирующая первый контур, должна быть не менее

откуда

Подставляя значения в формулу (10.47), находим

откуда

Требуемое значение можно реализовать с помощью обычного варикапа. Существующие в настоящее время варикапы допускают, например, изменение емкости до

Рис. 10.17. Схема замещения двухконтурного параметрического усилителя

Рис. 10.18. Соотношение мощностей на различных частотах в двухконтуриом параметрическом усилителе

Коэффициент усиления мощности вычислим по формуле (10.48):

В заключение отметим основные преимущества и недостатки параметрического усилителя.

Важным преимуществом параметрического усилителя является относительно низкий уровень шумов по сравнению с транзисторными или ламповыми усилителями. В § 7.3 отмечалось, что главным источником шумов в транзисторном и ламповом усилителях является дробовой эффект, обусловленный хаотическим переносом дискретных зарядов электронов и дырок (в транзисторе). В параметрическом усилителе аналогичный эффект имеет место в приборе, осуществляющем модуляцию параметра. Например, изменение емкости варикапа происходит за счет перемещений электронов и дырок. Однако интенсивность потока носителей электричества в варикапе во много раз меньше, чем в транзисторе или лампе. В последних интенсивность потока определяет непосредственно мощность полезного сигнала, выделяемого в цепи нагрузки, а в варикапе — всего лишь эффект модуляции параметра. Ослабление влияния дробового эффекта столь значительно, что в параметрическом усилителе уровень шумов определяется в основном тепловыми шумами. В связи с этим часто применяют охлаждение параметрического диода до 5 ... 10.

Недостатком параметрического усилителя является сложность развязки цепей накачки и сигнала.

В схеме, представленной на рисунке 10.14, а, характерной для параметрических усилителей метрового диапазона, развязка осуществляется с помощью разделительных конденсаторов и блокировочных дросселей. В диапазоне СВЧ, на которых особенно широко применяются параметрические усилители, приходится прибегать к весьма сложным конструкциям, сочетающим в одном узле двухчастотную колебательную цепь в виде полых резонаторов, варикап и специальные элементы развязки (циркулятор, направленный ответвитель, поглотитель, заградительный фильтр). Эти вопросы рассматриваются в специальных курсах.