Можливо, не кожен намагався поміркувати над тим, що є посиленням.

Ми не можемо посилити електричні коливання, не витративши на це певну потужність. Посилені коливання матимуть велику амплітуду, їхня енергія зросте. Надлишок енергії не може виникнути з нічого. Він має бути введений ззовні.

Так насправді відбувається. Підсилювач не може працювати без живлення, без введення в нього енергії, причому енергія повинна бути введена в систему так, щоб електричні коливання, що є в ній, посилилися. Введення енергії має відбуватися в такт із коливаннями, інакше існуючі коливання можна не збільшити, а заглушити.

До нових видів підсилювачів належать так звані параметричні підсилювачі. Познайомимося з їхньою роботою.

Коливальний контур складається з котушки індуктивності та конденсатора. Величини індуктивності та ємності є одними з параметрів контуру. Згадаймо, чому рівна напруга на конденсаторі при підведенні до нього якого-небудь заряду. Воно одно:

де і - Напруга на конденсаторі; q – його заряд, а С – його ємність.

Напруга прямо пропорційна величині заряду і обернено пропорційно ємності конденсатора. З цього виразу випливає, що для збільшення напруги на конденсаторі необов'язково збільшувати його заряд, тобто повідомляти додаткову порцію електрики. Цього можна досягти також шляхом зменшення ємності конденсатора.

Якщо контурі відбуваються електричні коливання, то заряд і, отже, напруга на конденсаторі змінюються синусоїдально. Двічі протягом періоду заряд на обкладках конденсатора буде найбільшим.

А що станеться, якщо ми якраз у ці моменти зменшимо ємність конденсатора? Заряд конденсатора від цього не зміниться, але напруга на конденсаторі зросте в стільки ж разів, скільки разів зменшилася ємність конденсатора.

Але збільшення напруги на конденсаторі означає збільшення амплітуди коливань, їхнє посилення. Таким чином, для посилення коливань у контурі можна в моменти найбільшого заряду конденсатора зменшувати його ємність, щоб у моменти повного розряду конденсатора повертати ємність конденсатора до його початкової величини. Двічі протягом періоду коливань доведеться ємність збільшувати та 2 рази повертати її до вихідного значення. Робити це треба в такт з коливаннями - точно в моменти найбільшого заряду і повного розряду - і у фазі з ними - зменшувати моменти повного заряду і збільшувати моменти повного розряду.

Використовуючи такий спосіб, можна посилити коливання в контурі. Так як посилення здійснюється шляхом зміни одного з параметрів контуру, такий спосіб отримав назвупараметричного посилення.

Звичайно, посилення і тут не відбувається без витрати енергії. У конденсаторі між пластинами існує електричне поле, і щоб розсунути пластини, треба витратити відому енергію (рівну).

Ця енергія збільшує поле конденсатора, внаслідок чого зростає напруга на ньому. У моменти повного розряду конденсатора збільшення його ємності до початкової величини не супроводжуватиметься повідомленням йому будь-якої додаткової енергії, так як зближення пластин не зустрічає протидії поля, яке відсутнє (іншого роду втрати енергії на відновлення початкової ємності конденсатора ми для простоти не враховуємо).

Практичне здійснення параметричного підсилювача не становить особливої ​​складності. З цією метою можна скористатися, наприклад, напівпровідниковим діодом. Діод має запірний шар, в якому відсутні вільні носії зарядів. Цей шар знаходиться між шарами різної провідності. Таким чином, діод по суті є конденсатором. Відстань між «пластинами» цього конденсатора, тобто товщина запірного шару, залежить від знака та величини напруги в обох шарах. При підведенні напруги в прямому напрямку товщина шару зменшується, при підведенні напруги зворотного значення вона збільшується. Змінюючи напругу на шарах діода, можна потрібним чином змінювати ємність «конденсатора», яким є діод. Діод є «конденсатором змінної ємності» у якого зміна ємності може керуватися тими ж коливаннями, які треба посилити, а електроживлення він отримує від генератора, який часто називають генератором накачування.

Збільшення амплітуди коливань, їх посилення неможливо знайти нескінченні. Після досягнення певної межі пристрій почне генерувати коливання - перетвориться на параметричний генератор.

Сучасні діоди дозволяють параметричним підсилювачам працювати на дуже високих частотах- До кількох десятків тисяч мегагерц.Параметрічні підсилювачіхарактерні дуже малими власними шумами. Якщо на запірний шар подати деяке негативне усунення, то вільні носії зарядів будуть у цьому шарі практично відсутні і шуми виявляться зведеними до незначної величини.

Як зазначив, напевно, читач, у параметричних підсилювачів дуже багато спільного з регенеративними підсилювачами. Ця схожість простягається ще далі. Можливе влаштування свого роду «надрегенеративних» параметричних підсилювачів. Принципи дії надпараметричного та надрегенеративного підсилювачів по суті аналогічні. Параметричний підсилювач певну кількість разів на секунду доводиться до генерації, яка відразу гаситься (так само працює і надрегенератор). Параметричний надрегенератор дозволяє посилювати потужність сигналу в деяких випадках у десятки мільйонів разів.

ПАРАМЕТРИЧНИЙ ПІДСИЛЮВАЧ- радіоелектронний пристрій, в якому посилення сигналу по потужності здійснюється за рахунок енергії внеш. джерела (т.з. генератора накачування), що періодично змінює ємність або індуктивність нелінійного реактивного елемента електрич. ланцюга підсилювача. П. в. застосовують гол. обр. у радіоастрономії, далекої косміч. і супутникового зв'язкуі радіолокації як малошумний підсилювач слабких сигналів, що надходять на вхід радіоприймального пристрою, переважно. у НВЧ-діапазоні. Найчастіше в П. в. як реактивний елемент використовують параметрич. напівпровідниковий діод (ППД). Крім того, у НВЧ-діапазоні застосовують П. у., що працюють на електронно-променевих лампах, в області низьких (звукових) частот - П. у. з феромагн. (Феритовим) елементом.
наиб. поширення набули двочастотні (або двоконтурні) П. у.: у сантиметровому діапазоні - регенеративні підсилювачі із збереженням частоти (рис., а), На дециметрових хвилях - підсилювачі - перетворювачі частоти (рис., б)(див. Параметрична генерація та посилення електромагнітних коливань). Як приймальний коливання. контуру та коливання. контуру, що налаштовується на допоміжну, або "холосту", частоту (рівну найчастіше різниці або сумі частот сигналу і генератора накачування), П. у. зазвичай використовують об'ємні резонатори, Всередині яких брало розташовують ППД.

Еквівалентні схеми параметричних підсилювачів: а- регенеративного; б- З перетворенням частоти "вгору"; uвх - вхідний сигнал із несучою частотою fс; uв - напруга накачування; uвих - вихідний сигнал із несучою частотою fс; інших: - вихідний сигнал з несучою частотою ( f c + fн ); Tp 1 – вхідний трансформатор; Тр 2 – вихідний трансформатор; Тр н - трансформатор у ланцюзі накачування; Д – параметричний напівпровідниковий діод; L- котушка індуктивності коливального контуру, налаштованого на частоту ( fн - fс); Фс, Ф cн, Ф н - електричні фільтри, що мають малий повний опір відповідно при частотах fс, ( fз ± fн), fі досить велике при всіх інших частотах.

У генераторах накачування застосовують лавинно-пролітний діод, Ганна діод, варакторний помножувач частоти і рідше відбивають. клістрон. Частота накачування і "холостий" частота вибираються в більшості випадків близькими до критич. частоті fкр ППД (тобто до частоти, на якій П. у. перестає посилювати); при цьому частота сигналу має бути значно меншою fкр. Для отримання хв. шумових темп-р (10 - 20 До і менше) застосовують П. у., що охолоджуються до темп-р рідкого азоту (77 К), рідкого гелію (4,2 К) або проміжних (зазвичай 15 - 20 К); у неохолоджуваних П. в. шумова темп-ра 20 - 500 К і більше. Максимально досяжні коеф. посилення та смуга пропускання П. в. визначаються в осн. параметрами реактивного елемента Реалізовані П. в. з коеф. посилення потужності сигналу, що приймаються, рівними 10 - 30 дБ, і смугами пропускання, складовими 10 - 20% несучої частоти сигналу.
П. в. витісняються транзисторними малошумящими НВЧ-підсилювачами, як охолоджуваними, так і неохолоджуваними, проте продовжують використовуватися в міліметровому діапазоні радіохвиль, де вони все ще перевершують транзисторні підсилювачі.

Розглянемо конденсатор із змінною ємністю

,

змінної під дією напруги накачування u н(t) = U н cos( w н t). Нехай до цього конденсатора додається змінна напруга u З(t) = U 1 cos( w 1 t + j), тоді ємнісний струм складе

Таким чином, у спектрі струму є компоненти із частотами w 1 , w н + w 1 та w н - w 1 . Ці частоти можна виділити за допомогою досить високодобротних контурів, налаштованих на частоти w 1 та w 2 = w н ± w 1 та пов'язаних загальною нелінійною ємністю (рис. 65).

Повний опір втрат у першому контурі буде R 1 = R" 1 ||R i(де R i - внутрішній опірджерела сигналу). Нехай цей контур налаштований на частоту близьку до частоти сигналу, що посилюється, тобто. n 1 » w 1 . Відповідно, другий контур L 2 C 2 R 2 налаштований на частоту w 2 = w н ± w 1 (n 2 » w 2). Розглянемо випадок, коли парціальні частоти n 1 та n 2 контури далекі один від одного так, що пов'язаність мала. У цьому випадку нормальні частоти близькі до парціальних (зсув між парціальною та відповідною нормальною частотами невеликий і ми можемо вважати, що він лежить у смузі пропускання контурів, тобто кожен контур резонує на власній частоті). Таким чином, свою частоту контур різко посилить, решта послабить.

При досить високій добротності контурів опору кожного контуру для частот, далеких від його парціальної частоти, практично дорівнюють нулю. Таким чином, контур є активним навантаженням лише в невеликій ділянці частот поблизу своєї парціальної частоти. У схемі, що розглядається нами, в основному контурі активна потужність може виділятися тільки на частоті w 1 , а додатковому - на одній із частот w 2 = w н ± w 1 . Таким чином, якщо ми в кожному контурі можемо стежити лише за однією частотою, то для цих частот запишемо рівняння гармонійного балансу

(7.20)

Нехай як нелінійну ємність взято варикап. Тоді, як відомо,

.

Оскільки u C = u 1 + u н - u 2 , тоді в рамках гармонійного балансу ми маємо покласти u н = A н cos( w н t), u 1 = A 1 cos( w 1 t + y 1), u 2 = A 2 cos( w 2 t + y 2) (фази y 1 та y 2 відраховані від напруги накачування). Підставляючи ці вирази для заряду, отримаємо співвідношення для складових заряду на ємності Cна частотах w 1 та w 2:

У цьому випадку рівняння гармонійного балансу (7.20) за впливом гармонійного сигналу i 1 = I 1 cos( w 1 t + j) набуває вигляду:

Трохи спростимо ці вирази, ввівши парціальні частоти n 1 та n 2 , розлади x 1 та x 2 , добротності Q 1 та Q 2 контурів підсилювача:

,  ;  ,  ;

,  .

Тоді в цих позначеннях рівняння (7.21) набуде вигляду

Отримане співвідношення має виконуватися у будь-який момент часу, тому в ньому слід прирівняти в правій та лівій частинах коефіцієнти при cos( w 1 t + y 1) та sin( w 1 t + y 1). Покладемо у правій частині j = y 1 + (j - y 1); ± y 2 = y 1 + (± y 2 - y 1), тоді після простих тригонометричних перетворень правої частини, отримаємо

Зведемо в квадрат (7.25) та (7.26) і складемо, тоді можна отримати

Нагадаємо, що верхній знак відповідає нагоді w 2 = w н + w 1 , а нижній - w 2 = w н - w 1 . Отримане вираз показує, що амплітуда параметричного підсилювача з низькочастотним накачуванням ( w н = w 2 - w 1) істотно відрізняється від амплітуди підсилювача з високочастотним накачуванням ( w н = w 2 + w 1). Розглянемо тепер окремо кожен із цих випадків.

У першому випадку (при перетворенні нагору) точний максимальний сигнал буде досягнутий в результаті точного налаштування контурів, тобто. x 1 = x 2 = 0. У цьому випадку амплітуди коливань у першому та другому контурах:

,  .	(7.29)
Мал. 66. Залежність амплітуд A 1 та A 2 від амплітуди накачування A нпри точному налаштуванні контурів підсилювача.	На рис. 66 зображена залежність A 1 та А 2 від А нпри точному налаштуванні контурів підсилювача. З малюнка видно, що амплітуда коливань у першому контурі монотонно зменшується зі збільшенням амплітуди накачування. Отже, у разі посилення сигналу у першому контурі немає. Однак, амплітуда коливань у другому контурі, пропорційна амплітуді вхідного сигналу при Ан< A 0 росте зі зростанням А н. Тому в системі можливе посилення з перетворенням частоти вгору, якщо як

вихідного сигналу використовувати коливання у другому контурі підсилювача. Такий підсилювач є нерегенеративним параметричним підсилювачем із перетворенням частоти нагору. Визначимо коефіцієнт його посилення за потужністю. Під коефіцієнтом посилення по потужності розумітимемо відношення потужності на виході підсилювача до потужності вхідного сигналу, що виділяється на узгодженому навантаженні. Якщо втрати першого контуру досить малі та R i << R" 1 , то R 1 » R i та джерело вхідного сигналу i 1 віддає у погоджене навантаження потужністьn 1 = n 2 . Таким чином, збільшення потужності пов'язане тільки зі збільшенням частоти квантів, а не їх числа, тому шуми такого підсилювача мінімальні і він досить стійкий.

Підсилювач з перетворенням частоти вниз ( w 2 = w н - w 1) є звичайним регенеративним підсилювачем та не дає жодних переваг у порівнянні з регенеративним режимом одноконтурного підсилювача.

Параметричним підсилювачем (ПУ) називається пристрій, що містять коливальний контур, в якому під впливом зовнішнього джерела (генератора накачування) змінюється енергоємний параметр (ємність або індуктивність). І рахунок відповідної організації коливальної системи здійснюється посилення сигналу.

Розглянемо систему, що складається з двох заряджених пластин, що є якоюсь ємністю.

Величина заряду цієї ємності:

Примусове зміна ємності можна як зміна (наприклад, збільшення) відстані між пластинами. Внаслідок того, що ємність не замкнута, величина заряду буде постійною, а напруга буде збільшуватися. У цьому випадку зростатиме енергія заряду ємності, рівна , і енергія (що є свого роду джерелом живлення) витрачена на зміну відстані між обкладками конденсатора трансформується в енергію заряду. Отже, відбудеться збільшення потужності, що виділяється таким конденсатором при розряді через деяке навантаження, тобто посилення.

Подібним чином функціонує і параметричний підсилювач. Джерелом живлення (або енергії для зміни ємності) для нього служить високочастотний генератор накачування, що модулює ємність або індуктивність будь-якого елемента коливального контуру. При такій зміні енергоємного параметра коливального контуру виникає негативний електричний опір, тому параметричні підсилювачі є різновидом регенеративних підсилювачів. Регенеративний підсилювач, це підсилювач з позитивним зворотним зв'язком, який супроводжується внесенням у сигнальний ланцюг негативної провідності. З енергетичної точки зору внесення в сигнальний ланцюг негативної провідності відповідає перекачування в неї енергії джерела живлення підсилювача, що дозволяє забезпечити посилення за потужністю.

Розрізняють напівпровідникові, феритові та електроннопроменеві ПУ. Напівпровідникові ПУ (ППУ), побудовані на основі параметричних діодів (варикапів), набули найбільшого поширення завдяки таким параметрам як невелика потужність генератора накачування та можливість мікромініатюризації.

Основним елементом ППУ є параметричний діод (ПД), що представляє собою зміщений назад p-n перехід, включений відповідним чином в коливальну систему, на який подається постійна напруга зміщення U СМ і напруга від генератора накачування, що створює модуляцію ємності ПД.

Якщо зворотно зміщений p-n перехід ПД подається напруга накачування, що зміну ємності діода можна описати виразом

де М 1 = З 1 / З 0, М 2 = З 2 / З 0– глибини модуляції ємності ПД за відповідними гармоніками частоти накачування.

Глибина модуляції ємності залежить від напруги накачування і може бути визначена за вольт-фарадною характеристикою ПД. Причому що більше глибина модуляції, то більше вписувалося негативний опір вноситься у схему.

Внаслідок нелінійної залежності ємності ПД від прикладеної напруги в ній можуть виникати струми різних комбінаційних частот f m,n = mf n + nf c де m, n - цілі числа.

Якщо ємність немає втрат, то розподіл потужностей по комбінаційних частот визначається співвідношенням Менли-Роу:

	}

де P m,n - Потужність на частоті f m,n .

Аналіз цієї рівності дозволяє зробити низку висновків про властивості параметричних підсилювачів. Наприклад, у разі, коли нелінійна ємність зв'язує коливальні ланцюги, налаштовані на частоти f с, f н і f 1,1 = f с + f н = f + , то, враховуючи співвідношення Менлі-Роу отримуємо

І якщо в нелінійну ємність потужність надходить на частотах f с і f н, вона виділяється на частоті f + , причому при P с = 0 і P + = 0, тобто. система виявляється нерегенеративною. При цьому максимальний коефіцієнт посилення

Параметричні підсилювачі такого типу називають стабільними перетворювачами, що підвищують. Їх застосування обмежується тим, що з посиленні сигналів діапазону НВЧ важко домогтися високих коефіцієнтів посилення, т.к. f + і f н виявляються дуже високими.

Розглянемо приклад, коли нелінійна ємність зв'язує коливальні ланцюги, налаштовані на частоти f с, f н і f 1,-1 = f с – f н = f – , то, враховуючи співвідношення Менлі-Роу отримуємо

,

Оскільки ланцюга частот f з і f – з погляду параметричного впливу енергетично еквівалентні, потужність генератора накачування перекачується в обидва ці ланцюги, або, інакше кажучи, негативний опір вноситься як на частоті f с, так і на частоті f –. Отже, підсилювач такого типу є регенеративним і може забезпечити як завгодно високе посилення.

Залежно від співвідношення частот f с і f - = f с - f н резонанси можуть бути в різних коливальних системах, або, якщо f з f - , - в одній коливальній системі. У першому випадку підсилювач називають двоконтурним, у другому одноконтурним.

Теоретично регенеративних підсилювачів було показано, що підсилювачі такого типу можуть виконуватися за двома схемами - "на прохід" і "на відображення". Останні за інших рівних умов дозволяють отримати більше твори посилення на смугу пропускання при меншому коефіцієнті шуму, що визначає доцільність їхнього практичного використання.

В даний час найбільшого поширення набули двоконтурні ППУ відбивного типу, оскільки вони, на відміну від одноконтурних, не вимагають жорсткого фазування частот сигналу і накачування і дозволяють реалізувати низькі шумові температури в поєднанні з гарною широкосмуговістю.

Можлива побудова ППУ, який здійснюватиме не тільки посилення сигналу, але й перенесення його частоти, при цьому генератор накачування виконує роль гетеродина. І тут можливе перетворення частоти як у гору, тобто. з інверсією спектру, так і вниз, без інверсії .

Здатність керованих реактивних двополюсників за певних умов грати роль активних елементів ланцюга послужила основою створення особливого виду радіотехнічних пристроїв, званих параметричними підсилювачами. Ці підсилювачі знайшли застосування головним чином у НВЧ-діапазоні як вхідні ступені високочутливих радіоприймачів. Основна перевага параметричних підсилювачів - низький рівень власних шумів, що пов'язано з відсутністю дробових флуктуацій струму.

Реалізація параметрично керованих реактивних елементів.

Можливість параметричного посилення сигналів була теоретично передбачена ще на початку століття.

Однак пластичне здійснення цієї ідеї стало можливим лише в 50-х роках після того, як було створено перші вдалі конструкції параметричних напівпровідникових днодів. Робота цих діодів, званих також варакторами, ґрунтується на наступному ефекті. Якщо до -переходу діода прикладено напругу зворотної полярності, то розділений заряд q в замикаючому шарі є нелінійною функцією прикладеної напруги. Залежність називають вольт-кулонною характеристикою такого нелінійного конденсатора. При зміні напруги в замкненому переході днода виникає струм усунення

Тут – диференціальна ємність варактора, яка наближено описується формулою

де до - Розмірний коефіцієнт; - Контактна різниця потенціалів.

Чим сильніше замкнений перехід, тим менша його диференціальна ємність.

Сучасні варактори мають дуже досконалі характеристики і здатні працювати аж до частот в кілька десятків гігагерц, що відповідає міліметровому діапазону довжин хвиль.

Може бути створений також елемент з параметрично керованої індуктивністю Він являє собою індуктивну котушку, що має сердечник з феромагнітного матеріалу з різко вираженою залежністю індукції від підмагнічує струму I. Такі елементи не знайшли широкого застосування на радіочастотах через велику інерційність процесів перемагнічування матеріалу.

Одноконтурний параметричний підсилювач.

Розглянемо генератор сигналу, утворений паралельним з'єднанням елемента з активною провідністю та ідеального джерела гармонійного струму з амплітудою та частотою. До генератора підключено резистивне навантаження, що має провідність. На затискачах генератора існує напруга з амплітудою у навантаженні виділяється активна потужність

Як відомо з теорії ланцюгів, у режимі узгодження навантаження з генератором, коли величина досягає максимального значення:

(12.37)

Очевидно, потужність у навантаженні можна підвищити, зменшивши якимось чином провідність генератора. Цього можна досягти, наприклад, увімкнувши паралельно генератору параметричний конденсатор (варактор).

Мал. 12.4. Схеми одноконтурного параметричного підсилювача: а – принципова; б - еквівалентна

Ємність варактора повинна змінюватися з частотою Початкову фазу генератора накачування слід вибрати так, щоб опір [див. формулу (12.34)] було негативним.

На рис. 12.4 а, б зображені схеми найпростішого одноконтурного параметричного підсилювача, що реалізує даний принцип.

Індуктивний елемент L разом із конденсатором [див. формулу (12.27)] утворюють паралельний коливальний контур, налаштований частоту сигналу. Вхідний опір цього контуру настільки великий, що практично не шунтує негативну активну провідність

що вноситься варактором.

Звернувшись до рис. 12.4 б, помічаємо, що потужність, що виділяється в навантаженні, буде також максимальна в режимі узгодження, тобто при

Відношення цієї величини до тієї, яка визначається формулою (12.37) за відсутності параметричного елемента, прийнято називати номінальним коефіцієнтом посилення

Наприклад, нехай. Тоді чи в логарифмічних одиницях.

Стійкість параметричного підсилювача.

Якщо негативна провідність варактора повністю компенсує суму провідностей генератора і навантаження, параметричний підсилювач стає нестійким і самозбуджується.

З еквівалентної схеми наведеної на рис. 12.4 б, слід, що критичне значення негативної провідності, що вноситься

Вважаючи, що фазові співвідношення коливань сигналу і накачування оптимальні в тому сенсі, що формул (12.34), (12.41) знаходимо критичну глибину модуляції ємності:

Приклад 12.3. Одноконтурний параметричний підсилювач працює на частоті), генератор сигналу і навантаження мають однакові провідності, ємність варактора Визначити граничні межі зміни ємності, при досягненні яких підсилювач самозбуджується.

За формулою (12.42) визначаємо

Таким чином, параметричний підсилювач самозбуджується, якщо ємність варактора, змінюючись у часі за гармонічним законом, коливається в межах від до

Параметричне посилення у режимі розладу.

У реальних умовах важко, а часом і неможливо точно виконати умову синхронізму. Якщо частота сигналу трохи засмучена щодо необхідного значення, тобто кажуть, що параметричний підсилювач працює в асинхронному режимі. При цьому величина Ф, що визначає, згідно (12.34), активний опір, що вноситься, залежить від часу: Опір, що вноситься, змінюючись за законом

періодично набуває різних знаків. Як наслідок цього, спостерігаються глибокі зміни рівня вихідного сигналу, аналогічні характером биттям. Цей недолік одноконтурних підсилювачів значною мірою перешкоджає їх практичному використанню.

Двоконтурний параметричний підсилювач.

Роботи, створені задля поліпшення експлуатаційних показників параметричних підсилювачів, призвели до створення інших пристроїв, вільних від зазначеного вище недоліку. Так званий двоконтурний підсилювач здатний працювати при довільному співвідношенні частот сигналу та накачування, причому незалежно від початкових фаз цих коливань. Такий ефект досягається за рахунок використання допоміжних коливань, що виникають на одній із комбінаційних частот.

Схема двоконтурного параметричного підсилювача наведено на рис. 12.5.

Підсилювач складається з двох коливальних контурів, один з яких, званий сигнальним контуром, налаштований на частоту, а інший, так званий холостий контур, на холосту частоту.

Мал. 12.5. Схема двоконтурного параметричного підсилювача

Зазвичай добротності сигнального та холостого контурів великі. Тому в стаціонарному режимі напруги на цих контурах досить точно описуються гармонійними функціями часу:

з деякими амплітудами та початковими фазами.

Взявши до уваги знаки напруги, вказані на рис. 12.5, знаходимо, що напруга на варакторі , звідки струм через варактор

(12.44)

Проаналізуємо спектральний склад цього струму. Скориставшись формулою, що вже зустрічалася, переконуємося, що струм містить складові на частоті сигналу, на холостій частоті а також на комбінаційних частотах.

Для того, щоб знайти провідність, що вноситься в сигнальний контур послідовним з'єднанням варактора і холостого контуру, слід насамперед виділити у формулі (12.44) складову струму на частоті сигналу:

(12.45)

Тут перший доданок знаходиться у тимчасовій квадратурі з напругою і тому не пов'язане із внесенням у контур активної провідності. Друге доданок пропорційно до амплітуди напруги на холостому контурі. Щоб знайти цю величину, виділимо в (12,44) корисну складову струму на неодруженій частоті, пропорційну амплітуді

Якщо - резонансний опір холостого контуру, то напруга на ньому, викликана коливаннями на частоті сигналу,

звідки випливає, що

(12.47)

Підставивши величини у другий доданок формули (12.45), отримаємо вираз корисної складової струму на частоті сигналу, яка обумовлена ​​впливом варактора та холостого контуру:

Таким чином, провідність, що вноситься в сигнальний контур послідовним з'єднанням варактора і холостого контуру, виявляється активною та негативною:

Номінальний коефіцієнт посилення розраховують за формулою (12:40). Аналіз стійкості проводять так само, як і у разі одноконтурного підсилювача.

Зіставляючи формули (12.38) і (12.49), можна відзначити, що в двоконтурному підсилювачі негативна провідність, що вноситься, не пов'язана з початковими фазами сигналу і накачування. Крім того, двоконтурний параметричний підсилювач некритичний до вибору частот сос і Вносима провідність буде негативна завжди, якщо

Баланс потужностей у багатоконтурних параметричних системах.

Нечутливість параметричних підсилювачів, що використовують комбінаційні коливання, співвідношення фаз корисного сигналу і накачування дає можливість вивчати такі системи на основі простих енергетичних співвідношень. Звернемося до загальної схеми, наведеної на рис. 12.6.

Тут паралельно конденсатору з нелінійною ємністю включено три ланцюги. Дві з них містять джерела сигналу та накачування, третя є пасивною і служить холостим контуром, налаштованим на комбінаційну частоту (цілі числа). Кожен ланцюг має вузькосмуговий фільтр, що пропускає лише коливання з частотами, близькими до відповідно. Для простоти вважається, що ланцюги сигналу та накачування не мають омічних втрат.

Нехай один із джерел (сигналу або накачування) відсутній. Тоді в струмі, що протікає через нелінійний конденсатор, не буде складових із комбінаційними частотами. Струм холостого контуру дорівнює нулю і система в цілому поводиться як реактивний ланцюг, не споживаючи в середньому потужності від джерела.

Якщо є обидва джерела, з'являється складова струму на комбінаційній частоті; цей струм може замикатися лише через ланцюг холостого контуру.

Мал. 12.6. До висновку енергетичних співвідношень у двоконтурній параметричній системі

Навантаження, що є тут, в середньому споживає потужність, а в ланцюги сигналу і накачування вносяться позитивні або негативні опори, значення і знак яких визначають перерозподіл потужностей між джерелами.

Розглянута система замкнута (автономна), і на підставі закону збереження енергії середні потужності сигналу, накачування та комбінаційних коливань пов'язані співвідношенням

Потужність, усереднену за період коливань Т, можна виразити через енергію Е, яка виділяється в цей інтервал часу:

(- Частота в герцах). Таким чином,

або, враховуючи, що

Як це прийнято, вважатимемо позитивною потужність, що виділяється в навантаженні, і негативною потужністю, що віддається генератором. Отже, якщо холостий контур підсилювача налаштований на частоту, то обидва джерела (сигналу і накачування) віддають потужність холостому контуру, де вона споживається в навантаженні. Оскільки коефіцієнт посилення потужності

Достоїнство такого способу параметричного посилення полягає в стійкості системи, нездатної самозбудитися за жодних потужностей сигналу і накачування. Недолік пов'язаний з тим, що частота вихідного сигналу виявляється вище частоти сигналу на вході. У діапазоні НВЧ це викликає певні труднощі при подальшій обробці коливань.

Регенеративне параметричне посилення.

Нехай т. е. частота налаштування холостого контуру Рівняння Менлі - Роу набувають вигляду

Як випливає з першого рівняння, в даному режимі позитивними є обидві потужності. Таким чином, деяка частина потужності, що відбирається від генератора накачування, надходить у сигнальний контур, тобто в системі спостерігається регенерація на частоті сигналу. Вихідну потужність можна витягати з сигнального, і з холостого контуру.

Рівняння (12.56) не дають можливості визначити коефіцієнт посилення системи, оскільки потужність містить як частину, що споживається від пристроїв, підключених до входу підсилювача, так і частина, що виникає за рахунок ефекту регенерації. Можна відзначити здатність таких підсилювачів до самозбудження, оскільки за певних умов у сигнальному контурі буде розвиватися відмінна від нуля потужність навіть без корисного сигналу на вході.