книги / Радиоприемные устройства.-1
.pdfPc. 5.26
Несмотря на то что параметрическое усиление принципиально возможно во всем диапазоне радиочастот, наибольшее применение находят усилители СВЧ. В этом случае в качестве контуров используются объемные резонаторы или отрезки длинных линий. Возможные конструкции одноконтурного ПУ сантиметрового диапазона схематично показаны на рис. 5.26, где для упроще ния опущены элементы настройки и цепи питания диода по постоянному току. Энергия накачки Рн поступает к диоду VD с помощью волновода; энергия ко лебания Р с частотой а>с может подаваться на усилитель и отбираться от него по-разному: с помощью одного и того же отрезка волновода (рис.5.26, а) или с помощью отдельных отрезков (рис. 5.26, 6) . В первом случае ПУ назы вается усилителем "на отражение", во втором — "на проход''
Как известно, на частотах, близких к частоте резонанса, отрезок волново да оказывается эквивалентным некоторому колебательному контуру, изобра женному на рис. 5.22. Для эффективного управления емкостью такого конту ра диод VD помещается в точку пучности напряженности электрического поля. В результате этого изменение величины его напряженности с частотой колебания генератора "накачки” приводит к изменению емкости диода.
5.7.2.Регенеративный параметрический усилитель
Вусилителе регенеративного типа колебание суммарной частоты / + по давляется, поэтому Р+ = 0. Из (5.29) и (5.30) следует, что для рассматривае
мого случая |
=— (Р_/ / _ ) , //с = ^ - I f - |
• Из последних выражений получа |
ем, что при положительной (отдаваемой) |
мощности Рн мощностиР, иР_ от |
рицательны, т. е. в нагрузку усилителя мощность будет отбираться на часто
тах / с и |
(рис. 5.27, а) . Если в частном случае потребовать, чтобы / н = 2/ с |
(условие наибольшего усиления), то /_ = / н /с = 2/с / с = / с , т. е. отдача |
усилителем энергии будет фактически происходить на одной и той же частоте приходящего сигнала / . Если / н Ф 2/ с , то колебания будут отличаться по час
тоте, так как в этом |
случае /_ Ф / с . |
|
Выясним, в чем |
заключается особенность этих возможных режимов рабо |
|
ты ПУ. Допустим, что колебание накачки wH = C/mHcosc^H^ , а колебание |
сиг |
|
нала на входе усилителя мс = t/mccos(cocf + ipcQ) , где <рс0 — разность |
фаз |
между этими колебаниями. Тогда усиленное колебание, возникающее на час
тоте <ос , может быть выражено как |
иг = Um хcos(o>cr + <рс0) , а усиленное ко |
||||
лебание, появляющееся в результате преобразования на частоте со_ , |
как |
||||
= J7 - COS(GJ |
t - |
J |
, так как со |
= со - со ). Очевидно, результирующее |
|
колебание и s |
+ и2 |
определяется суммой: |
|
||
|
|
|
|
(сосCO_)r + 2v?co |
|
cos(^cr + <pc0) |
+ cos(co_f-<pc0) = 2co s---------- ------------- |
X |
|||
( о с + <о_)Г |
Дсо ч |
|
|||
х cos |
-------------- = 2cos( |
— +<pc0)cos(a)c - — ) f , |
(5.33) |
||
где |
coc - |
co_ |
|
(5 34) |
|
Aco = |
|
Из (5.33) следует, что в результате сложения двух усиленных колебаний возникает периодическое изменение амплитуды суммарного колебания (так называемые биения) с угловой частотой Доо/2. Это уменьшает усиление сигна ла, так как оптимальные фазовые соотношения существуют в этом случае не постоянно, а лишь в определенные моменты времени. Казалось бы, что Наилуч-
а |
б |
б |
Рис. 5Л1
шим режимом работы усилителя будет такой, при котором Лео стремится к нулю (см. (5.34)). Однако в этом случае амплитуда результирующего колеба ния (5.33) будет постоянной и наибольшей только при условии неизменности фазового сдвига <рс0 = 0, что практически выполнить трудно. Поэтому времен ная нестабильность величины <рс0 приводит к нестабильности амплитуды сум марного колебания и коэффициента усиления ПУ. В силу сказанного исполь зование режима точного совпадения со_ и сос или, как его называют, син хронного режима работы ПУ ограничено.
При различии частот OJ_ и сос усиление уменьшается (см. рис. 5.28, где coQ — резонансная частота колебательного контура; оон Ф 2сос) . Однако при малых Дсо , например, в пределах так называемой полосы перестройки усили теля Дсоп , когда его усиление падает не более чем на 30 % сравнительно с мак симально возможным, такое уменьшение усилительной способности вполне допустимо.
При достаточном разнесении обоих колебаний по частоте оказывается возможной фильтрация и использование одного из них, что позволяет исклю чить проявление нежелательного эффекта биений в выходном сигнале РПУ.
Найдем основные параметры регенеративного ПУ: резонансный коэффи циент усиления, полосу пропускания и коэффициент шума. Для вывода ана литических выражений соответствующих параметров следует составить экви валентную электрическую схему исследуемого каскада (рис. 5.29).,Она со держит источник сигнала и проводимости, трансформированные в сечении АА в схеме колебательного контура ПУ. Схема включает: 1) соответствующий входному сигналу эквивалентный генератор тока / ' , который трансформиру ется в соответствии с величиной выбранной связи источника сигнала с колеба тельным контуром; 2) трансформированную активную проводимость источ-
13 Зак. 5685
-Gt
7вН
Рис. 5 3 0
В зависимости от мощности, передаваемой в контур генератором накачки, можно изменять Gw и, таким образом, в разной степени компенсировать поте ри в контуре. Для близких значений G и (7вн коэффициент усиления по мощ ности может быть очень большим. Однако чем больше усиление, тем меньше его стабильность. Последнее объясняется тем, что большая величина Кр соот ветствует малой разности G и G , так что небольшое случайное изменение одной из проводимостей значительно изменяет эту разность и, следовательно, Кр Кроме того, при приближении к порогу генерации может исказиться фор ма резонансной характеристики усилителя, что свойственно также другим ти пам усилителей (например, транзисторным и ламповым). Достижимые на практике коэффициенты усиления, обеспечивающие необходимую устойчи вость работы, составляют в диапазоне СВЧ в среднем 10—30, что удовлетворя ет требованиям к УРЧ.
2.Коэффициент шума. Составим эквивалентную шумовую схему ПУ (см. рис. 5.29). Полагая, что проводимости Gв , G ^ fis являются источниками теп
ловых шумов, a G не создает шумов, так как эта проводимость обусловлена изменением величины чисто реактивного элемента С , запишем выражения для шумовых источников:
|
/2 |
= |
~ ~ |
т2 |
= 4 kTG ^ri; |
|
|
С |
, |
« Г г с 'я , |
/;ш.к |
(5.35) |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
' L |
|
- |
4*ГСНЛ, |
= AkTGTI, |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
где |
. - |
квадрат эффективного значения тока соответствующего источника |
||||
шума; |
П |
— эквивалентная шумовая полоса; Т. - эквивалентная шумовая |
температура, соответствующая определенному элементу схемы; к —постоян ная Больцмана.
Кроме названных источников шума РПУ, в нелинейном элементе могут су ществовать шумы нетеплового вида (рапример, дробовые шумы в-объеме по лупроводника, шум спонтанного излучения в ферритах и т. д .). Такие источни ки шума удобно представлять некоторым эквивалентным (по выходному эф
фекту) генератором тока с проводимостью GH&J |
и эквивалентной шумовой |
||
температурой Тнел . Тогда |
|
||
/ 2 |
АкТ |
G П. |
(5.36) |
ш.неп |
нел |
неп |
|
В результате приходим к шумовой эквивалентной схеме ПУ, показанной на рис. 5.30. Используя определение коэффициента шума (см. (1.20)) и учи тывая, что мощность пропорциональна квадрату эффективного значения тока (5.35), (5.36),получаем
/ |
ш.г |
+ I 2 |
|
+ 1' |
+ 12 + 12 |
|
||||
|
|
ш.к |
|
ш.н |
mi |
ш .Нел |
|
|||
*ш = |
|
|
|
|
*2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Vш.г |
|
|
|
|
||
|
т |
G |
к |
rp |
Gl |
T |
Gs |
Т |
G |
|
|
1 |
|
1 |
|
H |
нел |
нел |
|||
1+ T G1 + T G1 + T G ' |
|
(5.37) |
||||||||
Y ~ G ~~ |
||||||||||
|
Г |
Г |
|
г |
г |
г |
г |
г |
г |
|
Влияние источника шума / |
относительно невелико, поэтому в даль |
нейшем учитывать его не будем.’ Последнее подтверждается эксперименталь ными и теоретическими исследованиями шумов полупроводниковых диодов, показавшими, что дробовые шумы диодов в режиме параметрического усиле ния в большинстве случаев не оказывают заметного влияния на величину К Тогда для одинаковых шумовых температур 71 = Т запишем
К |
|
= |
G 1+ G + G |
|
Ш |
1 + — ----- ^ ----- * |
(5.38) |
||
|
|
Q/ |
V ' |
|
|
|
|
Г |
|
Так как величина (G* + GK + G J/G г' |
в (5.38) может быть сделана малой, |
то коэффициент шума ПУ оказывается весьма близким к единице (1—2 дБ и менее). Расчеты показывают, что основными источниками теплового шума в рассматриваемом усилителе являются сопротивление диода R и проводи мость колебательного контура GK Как следует из (5.37), на коэффициент шума ПУ сильное влияние оказывает температура окружающего пространства. Для уменьшения влияния этого фактора на практике используют криогенные установки с низкой абсолютной температурой, в которые помещают ПУ (так называемые охлажденные ПУ) .
3. Полоса пропускания. Из известного выражения для эквивалентного со
противления параллельного контура R 3 = р |
Q3 = Q J (?nf0C) следует |
|||||
|
|
|
(2тг/0С) |
|
|
|
й |
г Ч |
¥ |
= |
. |
|
t5 -39) |
|
|
|
|
э |
|
|
где G - полная эквивалентная проводимость контура ПУ, равная в соответст |
||||||
вии сЭрис. 5.29 |
= |
1//?э = |
GK + G^ + |
+ Gf — Gm . Так как полоса пропус |
||
кания ПУ на уровне 0,7 П |
связана с добротностью контура соотношением |
|||||
П = fJ Q 3 >то из данного выражения и |
(5.39) окончательно получаем |
|||||
n = |
G 3f 0p . |
|
|
|
(5.40) |
|
Для расширения полосы надо увеличивать Сэ (см. (5.40)), но это приво |
||||||
дит к уменьшению усиления, причем КрП = |
const |
В рассмотренном виде ПУ нагрузка и источник сигнала подключены к од ной и той же колебательной системе. Это отличает ПУ от ламповых и транзис торных усилителей, где входной и выходной контуры разделены. В результате такой особенности ПУ шумы его нагрузки поступают в усилитель, усиливают ся в нем и вновь выделяются на нагрузке. Поэтому уровень шума на входе следующего каскада радиоприемника может значительно увеличиться.
Рис. 5,31
Для электрической "изоляции” входной и выходной цепей ПУ на практи ке используются дополнения к рассматриваемым схемам, например циркуля торы. Энергия, поступающая от источника входного сигнала к первому пле чу 1 циркулятора Ц (рис. 5.31), подается только на второе плечо 2 , т. е. по падает на нелинейный элемент; энергия, поступающая от последнего ко второ му цлечу, выходит через третье плечо 3 , т. е. попадает в нагрузку —последую щую часть приемника. Энергия шумов, создаваемых нагрузкой, поглощается в поглотителе, связанном с четвертым плечом 4 . В результате шумы приемни ка не попадают обратно в ПУ, где они могут быть усилены. Несмотря на то что сам циркулятор является источником шумов, при его использовании умень шается коэффициент шума всего приемника.
5.7.3. Другие виды параметрических усилителей
Двухконтурные ПУ. Кроме одноконтурных усилителей, используются так же усилители с двумя контурами (см. эквивалентную схему на рис. 5.32). В этом случае один из контуров настраивается на частоту сос , а другой (так называемый ’’холостой") - на частоту со_ . Связь между контурами осуществ ляется с помощью нелинейной емкости, управляемой напряжением с частотой
«и* Анализируя работы схемы, приведенной на рис. 5.32, можно определить эквивалентную проводимость Y (со,) на частоте сос , обусловленную наличием управляемой емкости и второго контура. Проводимость Y (сос) вычисляется
|
со со |
~ |
С2 |
1 |
с помощью выражения У(со ) |
с |
, где Y = G + / (с о _ С |
I г\ |
|
= -------- ------ |
|
---------]}, |
||
с |
4J 2 |
2 |
соJ L2 |
откуда следует, что в первый контур вносится отрицательное сопротивление,
У(ь>с)
компенсирующее его потери. Известно, что генерация в схеме наступает тогда, когда будут полностью скомпенсированы потери первого контура. Это соот ветствует равенству Яе(У(сос)) = —G{ , где Gi —эквивалентная проводимость первого контура.
Необходимо обратить внимание на то,что проводимость Y (с о ), вызванная параметрическим эффектом, не зависит от разности фаз колебаний с частота ми со и сои . Это позволяет избежать трудностей точного фазирования колеба ний сигнала и накачки, что является существенным преимуществом двухкон турного усилителя сравнительно с одноконтурным.
Коэффициент ш уш двухконтурного усилителя для одинаковых шумовых
температур источников тепловых флуктуаций равен |
|
||
(?i |
со |
Gj |
|
Т ' |
+ ^ (1 ^ |
ь |
<5-41) |
Г |
— |
Г |
|
Из (5.41) следует, что для уменьшения в е л и ч и н ы ^ |
, кроме рекоменда |
ций, приведенных для одноконтурного ПУ, необходимо уменьшать отношение
а)с/о)_
Параметрический преобразователь частоты / в частоту / + . Спектр частот для этого случая приведен на рис. 5.33. Если подавить колебание разностной частоты /_ и использовать колебание суммарной частоты / + (5.31), то выра
жения (5.29) |
и (5.30), определяющие энергетические соотношения в ПУ, пре |
|
образуются следующим образом: |
|
|
Л Д , — V / . ; |
<5 « > |
|
Так как |
> 0 (мощность генератора накачки отдается в колебательный |
|
контур), то в соответствии с равенствами (5.42) получаем Р+< 0, Р |
> 0 . Та |
ким образом, из трех рассматриваемых мощностей от усилителя отбирается мощность колебания суммарной частоты (см. рис. 5.27, ^.Непосредственно го усиления на частоте принимаемого сигнала в отличие от ПУ с "отрицатель ным” сопротивлением в этом случае не происходит, т. е. усиление сопровож дается преобразованием частоты сигнала. Различие частот колебаний на входе и выходе усилителя обусловливает устойчивость и стабильность его работы. Выражение для коэффициента усиления по мощности можно получить из (5.42):
|
Рис.5,33 |
0 |
fc |
fu W c |
|
p |
f |
f |
|
K p = |
+ |
y + |
■'H |
(5.43) |
| — | = |
— |
= 1 + — |
||
p |
P |
f |
f |
v ' |
|
C |
|
Jc |
|
Как видно из соотношения (5.43), использование значительного разнесе ния частот / + и / позволяет получить большое усиление. Однако величина Кр, реализуемая на практике, оказывается меньше, чем это следует из (5.43) ,что объясняется влиянием параметров нелинейной емкости, ее режима работы и возможным рассогласованием входного и выходного сопротивлений усилите ля с сопротивлением генератора и нагрузки. Кроме того, на СВЧ могут возни кать затруднения в обеспечении неравенства / » / с
Уточненное выражение* для Кр в случае двухстороннего согласования име-
и |
1 |
______ |
ет вид КРтах = ---------- |
— — |
, где х = (5Д - 6,5) V « cw+ CminЯ , . |
} с |
х * \ Л +* |
|
Так как усилительная способность стабильного преобразователя определяется не компенсацией потерь в контуре на частоте сос,а параметрическим сме шением частот,что в этом случае оказывается возможным получением больше го усиления при относительно широкой полосе (около 10 % от / 0 ). Ее величи
на, определяемая на уровне 0,7, равна П « т
Коэффициент шума стабильного преобразователя
1
К |
1+ |
о + |
^Рт ах
иможет быть весьма близким к единице.
Параметрический преобразователь частота , / в частоту / _ . Для этого ви да ПУ характерен спектр частот, представленный на рис. 5.34. Если подавить колебание суммарной частоты / + и использовать колебание разностной часто
ты /_ (см. (5.32)), то выражения (5.29) и (5.30) |
преобразуются следующим |
образом: |
|
V 4 = “ (pJ L ); PJfc =PJ L • |
(5.44) |
Рис. 5.34 |
о |
fc |
Из (5.44) получаем, что при Рн > 0 имеют |
место неравенства Р_ < 0 и |
Рс < 0, т. е. энергия генератора накачки в этом |
случае преобразуется в энер |
гию на частотах / с и /_ (см. рис. 5.27, в ) . Это приводит к тому, что в контуре, настроенном на частоту входного сигнала, происходит компенсация потерь аналогично ПУ с "отрицательным” сопротивлением. Последнее обусловливает нестабильную работу преобразователя, так как в схеме возможен режим ра боты, при котором за счет энергии генератора накачки в контуре будут суще ствовать колебания на частоте / даже при отключенном источнике сигнала.
Теоретическое выражение для коэффициента усиления по мощности полу-
|
Р _ |
/_ |
|
чается из |
(5.44) : Кр = | — |
| = — |
. Уточненное выражение имеет вид Кр = |
/ |
PQ |
/ с |
|
4а |
|
\ Qc , Q_ - добротности соответственно |
|
fr |
- , где а % QcQ_m |
||
о - * ) |
|
|
контура сигнала и выходного контура. Из приведенного выражения следует, что при определенном выборе величины а , близкой к единице, коэффициент усиления ПУ может быть весьма велик, однако устойчивость его работы при этом невысока.
При удалении от области нестабильной работы полоса пропускания на
уровне 0,7 определяется выражением Я « |
1,24m V f |
f . |
|
|
|
Коэффициент шума усилителя равен К |
|
Gt |
Ч |
G\ |
т |
~ 1 + — |
+ — (1 + — |
) |
|||
|
|
|
со |
Gr |
т кр |
и отличается от коэффициента шума двухконтурного |
усилителя |
с "отрица |
тельным” сопротивлением наличием множителя перед третьим членом ( т / т кр). В усилительном режиме т < ткр , поэтому коэффициент шума неста бильного повышающего преобразователя может быть меньше коэффициента шума двухконтурного усилителя с "отрицательным” сопротивлением (см.
(5.41)).
Следует заметить, что рассмотренные схемы и режимы не исчерпывают всех возможных вариантов параметрических усилителей и преобразователей. В качестве примера приведем общие сведения о некоторых других направле ниях в технике параметрического усиления.
В последнее время широко применяются усилители с "низкочастотной на качкой”, так как для диапазона сантиметровых и особенно миллиметровых волн создание генератора накачки, работающего на более высоких частотах, затруднительно. В случае Низкочастотной накачки” для параметрического эф фекта используется одна из гармоник относительно низкочастотного колеба ния, генерация которого осуществляется одним из простых и доступных мето дов.
Недостаточная в ряде случаев полоса пропускания ПУ (особенно регенера тивного вида) вызвала необходимость разработки более широкополосных схем, например схем, работающих в режиме сверхгенерации. В этом случае в ПУ возбуждаются прерывистые колебания с частотой а>н В соответствии с теорией сверхгенеративного усиления полоса пропускания оказывается шире, чем при обычной регенерации. Следует иметь в виду, что сверхрегенеративные ПУ имеют больший коэффициент шума.