Коэффициент усиления мощности вычислим по формуле (10.48):

367-10-" г-гоо-ю-в j

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 пара.метра. 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, выделяе-.мого 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 К.

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.

10.8. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ

Из материала предыдущих параграфов следует, что параметрический усилитель, в котором глубина модуляции m нелинейной емкости или индуктивности доводится до значения, превышающего некоторое критическое т„р, превращается в генератор. Подобные генераторы называются п а р а-метронами. Простейший параметрон представляет собой колебательный контур, один из элементов которого - нелинейная емкость или индуктивность - подвергается периодическому изменению во времени с помощью генератора накачки.

Можно наметить следующую картину возникновения и нарастания колебания в параметрическом генераторе. Пусть закон изменения емкости варикапа определяется выражением

С (t) = Со/(1 + т sin oij), (10.49)

где частота накачки ы„ - 2u)p; Юр - резонансная частота колебательного контура.

Если т > (неустойчивая система) при запуске генератора накачки в контуре возникает колебание с частотой сор = (0/2 и начальной фазой О или л (по отношению к фазе накачки).

При отсутствии внешнего воздействия, т. е. в режиме свободного колебания, фаза (О или л), а также амплитуда возникающего колебания являются случайными величинами, зависящими от фазы и амплитуды шумового напряжения (О в контуре.

Для выявления процесса нарастания амплитуды колебания обратимся к рассмотрению свойств простого колебательного контура, емкость которого изменяется по закону (10.49) при L = const н г - const.

В режиме свободного колебания дифференциальное уравнение для тока в контуре будет

dt С(/) J

Переходя от тока t к заряду q и учитывая выражение (10.49), получаем

i.+ L + lL±i2ii£HiL<y o. (10.50)

dt L dt LC.

Величина l/LC,, = cop определяет резонансную частоту контура в отсутствие модуляции емкости, т. е. при m = 0.

Таким образом, уравнение (10.50) можно записать в форме

-fX-f 2a„--f coHl+msin(o,0<? = 0, (10.51)

dt dt

где a„ r/2L.

Основываясь на допущении высокой добротности контура {Q - сОр/ /2а 1), мы вправе искать решение уравнения (10.51) в виде колебания с частотой СОр и медленно меняющейся амплитудой

9(O-4efc0(o3p4-e), (10.52)

где д, - показатель, зависящий от параметров контура и модуляции емкости: Заметим, что при Q 1 можно, как и для контура с постоянной емкостью, считать

q it) = Со ее it) = Со Ее, е cos (Шр t +1). (10.52)

Подстановкой (10.52) в (10.51) можно определить как ц, так и начальную фазу I, однако задачу можно еще более упростить, поскольку нас интересует режим заведомой неустойчивости решения q (/), при котором собственное колебание в контуре возрастает за счет энергии, отбираемой от генератора накачки. Это возможно, если напряжение Вс (t) иа емкости сфази-ровано относительно функции С (t) так, как это показано на рис. 10.19; начальная фаза может быть либо = О (сплошная линия), либо = л.

Подставив в (10.51) д = Ад cos Wpt, после несложных преобразований придем к следующему результату:

(А = -«р-а„, (10.53)

д (/) = Ло е(""*р/-к) cos «р t. (1.0.54)

Для нарастания амплитуды должно выполняться условие ?Ир/4>ак или m>4a„/(t)p = 2/Q2d.

Этот результат совпадает с определением критического значения m в § 10.6 [см. (10.42)1.

Механизм ограничения амплитуды при параметрическом возбуждении обусловлен заходом амплитуды колебаний на нелинейные участки характеристик емкости или индуктивности. При этом изменяются средние значения С (t) или L (t), а следовательно, и средняя резонансная частота контура. Расстройка контура относительно частоты со„/2 ухудшает условия преобразования энергии накачки и приводит к ограничению амплитуды.

В настоящее время принцип параметрического возбуждения колебаний используется в специальных генераторах (параметронах), применяемых в различных устройствах для обработки дискретной инфор.мации. Это объясняется главной особенностью параметрического возбуждения - двузначностью фазы генерируемых колебаний. Так как установление фазы ф или Ф -f я зависит от начальных условий, то, задавая в момент запуска генератора начальную фазу с помощью сигнала, можно получить одно из двух устойчивых состояний генератора, соответствующих двум знакам двоичного кода (например, фазе ф условно приписывается нуль, а фазе ф + л - единица).

В емкостном параметроне (рис. 10.20, а) в качестве переменной емкости используются два полупроводниковых диода, а индуктивностью контура служит первичная обмотка высокочастотного трансформатора. Напряжение накачки е„ (t) с частотой (о„, вдвое превышающей резонансную частоту контура, подается на диоды синфазно, благодаря чему емкости диодов уменьшаются или увеличиваются одновременно и вместе с тем исключается прохождение частоты (Он на выход. Благодаря симметрии устраняется также прохождение колебаний частоты сон/2, возбуждаемых в контуре, в цепь накачки. Положение рабочей точки на характеристиках р - п - переходов задается постоянным напряжением смещения.

Рис. 10.19. Модуляция емкости и возможные фазы генерируемого колебания (О -сплошная, я--штриховая линии)

2г]е

-о -о

Рис. 10.20. Емкостной (а) и индуктивный (б) параметроны