Конспект лекций для студентов 4 курса дневного отделения специальности 210401. 65 «Физика и техника оптической связи»

Полупроводниковые параметрические усилители


Параметрическим усилителем называется устройство, содержащее колебательный контур, в котором под воздействием внешнего источника (генератора накачки) изменяется энергоемкий параметр (емкость или индуктивность) и за счет соответствующей организации колебательной системы осуществляется усиление сигнала.
Различают полупроводниковые, ферритовые и электронно-лучевые параметрические усилители.
Полупроводниковые параметрические усилители (ППУ) в силу ряда положительных свойств (небольшая требуемая мощность генератора накачки,


возможность микроминитюризации и т.д.) получили наибольшее применение. Основным элементом ППУ является параметрический диод, представляющий собой обратно-смещенный p-n-переход, включенный соответствующим образом в колебательную систему, на который подается постоянное смешение и напряжение от генератора накачки, создающее модуляцию емкости. Зависимость емкости диода от приложенного напряжения смещения описывается выражением:
, (5.38)
где - контактная разность потенциалов;
n - параметр, характеризующий нелинейные свойства емкости (для сварных диодов n = 1/2, для диффузионных - n = 1/3).
Если на обратно-смещенный р-n-переход подается напряжение накач­ки, то изменение емкости диода можно описать

(5.39)
,

где , , - глубина модуляции емкости на соответствующей гармонике частоты накачки.

Вследствие нелинейной зависимости емкости параметрического диода от приложенного напряжения в ней могут возникать токи различных комбинационных частот


, (5.40)

где m, n - целые числа, изменяющиеся от до .

Если емкость не имеет потерь, то распределение мощностей по комбинационным частотам определяется соотношением Менли-Роу


, (5.41)
(5.42)


где - мощность на частоте .
Следует отметить, что соотношения Менли-Роу вытекают из закона сохранения энергии для параметрического усилителя.
Наиболее интересны случаи, когда система работает на трех частотах - частотах сигнала и накачки и одной из комбинационных частот. Обычно комбинационная частота представляет собой либо суммарную либо рапюсшую частоты.
Рассмотрим параметрический усилитель , работающий па суммарной частоте, т.е. комбинационная частота представляет собой сумму частот

сигнала и генератора накачки. Применительно к уравнениям Менли-Роу указанные три частоты можно представить как

, , . (5.43)


Тогда на основании соотношений, Менли-Роу можно записать


, (5.44)
. (5.45)
Режим работы при этом нерегенеративный, т.к. при . Коэффициент усиления по мощности из второго уравнения определяется как


. (5.46)


Параметрический усилитель такого типа наливают стабильным повы­шающим преобразователем. Их применение ограничивается тем, что при усилении сигналов диапазона СВЧ трудно добиться достаточно больших коэффициентов усиления.
Рассмотрим пример, когда через нелинейную емкость связываются колебательные цепи, настроенные на частоты , , .
В соответствии с соотношениями Менли-Роу имеем


, (5.47)
. (5.48)
или (5.49)

Отсюда следует, что цепи частот , с точки зрения параметрического воздействия энергетически эквивалентны, мощность генератора накачки перекачивается в обе эти цепи или, другими словами, отрицательная проводимость вносится как на частоте сигнала, так и на разностной частоте.

Следовательно, параметрические усилители такого типа являются регенеративными.

В зависимости от соотношения частот и резонансы могут быть либо в различных колебательных системах, либо, если в одной колебательной системе.

В первом случае параметрический усилитель называют двухконтурным (контура, настроенные на частоту накачки не учитываются), во втором случае - одноконтурным.
Наибольшее распространение получили двухконтурные ППУ отража­тельного типа, поскольку в отличие от одноконтурных ППУ не требуют жесткой фазировки частот сигнала и накачки и позволяют реализовать низкие шумовые температуры в сочетании с хорошей широкополосностью.
Структурная схема параметрического усилителя может быть представ­лена в следующем виде (рис. 5.9).

1 - 4-плечий циркулятор;
2 - высокочастотным трансформатор;
3 - сигнальный контур,
4 - фильтр нижних частот;
5 - подстройка контура разностной частоты;
6 - контур разностной частоты;
7 - генератор накачки;
8 - источник постоянного
смешения;
ПД- параметрический диод;
С_бя - блокировочная
емкость;
СН - согласованная нагрузка.
Рис.5 9
Структурная схема парамет­рического усилителя

Напряжение сигнала на ППУ поступает через циркулятор 1 из антенно-фидерной системы, усиленный сигнал направляется циркулятором в последующие каскады приемника. Согласованная нагрузка включается в 4-ое плечо циркулятора и позволяет повысить стабильность усиления ППУ по сравнению со случаем использования в нем трехплечего циркулятора.
Резонансная система двухконтурного ППУ состоит из цепей сигналь­ного , разностной частот и частоты накачки , а также органов их регулирования.
В тракт сигнальной частоты включают высокочастотный трансформатор 2, обеспечивающий требуемую связь сигнального резонатора 3 с входным плечом циркулятора. В эту же цепь часто включают фильтр нижних частот 4, предотвращающий прохождение в сигнальный тракт частот , и и одновременно устраняющий влияние регулировок сигнального контура на остальные цепи.
Параметрический диод (ПД) является элементом связи между контурами сигнальной 4 и разностной 6 частот. Рабочая точка ПД задается внешним источником постоянного напряжения 8, который закорачивается по высокой частоте С_бя.
Генератор накачки включает в себя не только автогенератор, но и элементы развязки (вентили).