Модуляторы. Детекторы. Параметрические цепи (16-18 главы учебника "Радиотехнические цепи и сигналы" под ред. К.Е.Румянцева), страница 13

На рис. 18.4 показаны диаграммы скачкообразного изменения емкости нелинейного конденсатора и изменения напряжения на нем. Изменение напряжения на емкости показано при условии, что входное напряжение изменяется по гармоническому закону

u_c(t) = U_ccos(ω_ct).

Заряд, накопленный в конденсаторе, q= СU не может мгновен­но измениться. Если каким-либо способом уменьшить емкость кон­денсатора, сохраняя накопленный заряд, то, соответственно, уве­личится напряжение на конден­саторе. Однако для получения этого эффекта необходимо, чтобы уменьшение емкости со­впадало с амплитудным значе­нием напряжения на емкости, а рост емкости происходил тог­да, когда напряжение на ней будет равно нулю. Этого можно достичь при условии, что час­тота сигнального напряжения будет в 2 раза меньше частоты управляющего напряжения.

Рис. 18.4. Диаграммы скачкообразного изменения емкости параметрического конденсатора и изменения напряжения на нем   

Изменять емкость конденса­тора скачком весьма сложно,    поэтому при построении параметрических усилителей в качестве управляющего напряжения, как правило, используют сигнал, изменяющийся по гармо­ническому закону. Однако, как при скачкообразном изменении емкос­ти конденсатора, так и при гармо­ническом должно соблюдаться ус­ловие по уменьшению емкости при максимальном амплитудном напря­жении и увеличении емкости при минимальном напряжении на ней.

Рис. 18.5. Функциональная схе­ма параметрического усилителя

На рис. 18.5 приведена функциональная схема параметрическо­го усилителя. Рассмотрим его работу. Усилитель включает пара­метрический конденсатор С, емкость которого изменяется по не­линейному закону. Фильтр Ф1 препятствует прохождению тока от источника управляющего напряжения u_y(t) = U_ycos(ω_yt+φ) с ча­стотой ω_у к источнику сигнального напряжения, а фильтр Ф2 исключает протекание тока от источника сигнального напряже­ния u_c(t) = U_ccos(ω_ct) с частотой ω_с и частотами, близкими к ней, к источнику управляющего напряжения. Учитывая принцип параметрического усиления, отметим, что частоты источников уп­равляющего u_у(t) и сигнального u_c(t) напряжений должны отве­чать условию ω_у = 2ω_с; кроме того, амплитуда U_yуправляющего напряжения u_у(t) должна быть существенно больше амплитуды U_cсигнального напряжения u_с(t).

В соответствии с принципом параметрического усиления на рис. 18.6 приведена электрическая схема одноконтурного пара­метрического усилителя. Усилитель включает конденсатор с нели­нейной емкостью С_нел, конденсатор С_к и индуктивную катушку L_к, образующих колебательный контур. Проводимость нагрузоч­ного элемента G_H=1/R_H. Разделительные конденсаторы С_р1 и С_р2 препятствуют прохождению тока от источника постоянного на­пряжения U₀ к источникам сигнального u_c(t) и управляющего u_y(t) напряжений. Источник постоянного напряжения t/₀ используется для установления рабочей точки нелинейного конденсатора С_нел. Индуктивная катушка Lпрепятствует прохождению переменных токов от источников сигнального u_c(t) и управляющего u_y(t) на­пряжений к источнику постоянного напряжения U₀.

Рис. 18.6. Электрическая схема одноконтурного параметрического уси­лителя

Достоинством одноконтурного параметрического усилителя является его относительная простота, однако эта простота приво­дит к ряду недостатков этого усилителя, к числу которых отно­сятся следующие.

Во-первых, фаза реально усиливаемого сигнала неизвестна. Кроме того, частота входного сигнала изменяется в некотором частотном диапазоне. Это приводит к неравенству частоты источ­ника сигнала и деленной пополам частоты источника управляю­щего напряжения (ω_с ≠ ω_у/2) и, как следствие, к биениям выход­ного сигнала и к снижению коэффициента усиления. Во-вторых, коэффициент усиления одноконтурного параметрического уси­лителя имеет малую величину.

От недостатков, присущих одноконтурному параметрическому усилителю, свободен двухконтурный усилитель, эквивалентная схема которого приведена на рис. 18.7. В этом усилителе конденса­тор с нелинейной емкостью, источник управляющего напряже­ния и источник постоянного напряжения, определяющего рабо­чую точку нелинейного конденсатора, заменены линейным кон­денсатором С(t), емкость которого изменяется во времени по ли­нейному закону. Кроме того, в нем имеется два колебательных контура: первый контур состоит из индуктивной катушки L_k1, конденсатора С_к1 и нагрузочной проводимости G_Hl, а второй об­разован индуктивной катушкой L_K2, конденсатором С_к2 и прово­димостью нагрузки G_н2. Источник сигнала представлен источни­ком тока j_c(t) с внутренней проводимостью G_i.

Для нормальной работы двухконтурного параметрического усили­теля резонансные частоты первого ω₀₁ и второго ω₀₂ контуров и ча­стота управляющего напряжения ω_y должны удовлетворять условиям ω₀₁ ≈ ω_с, ω₀₂ » ω₀₁ и ω_у = ω₀₁ + ω₀₂. В этом случае комбинационные частоты ω_к= ω_у- ω_с будут находиться вне полосы пропускания перво­го контура. Сигналы с частотами ω_с не будут попадать в полосу про­зрачности второго контура, а будут выделяться первым контуром.

Достоинством параметрических усилителей в сравнении, на­пример, с транзисторными усилителями является низкий уро­вень шума. Действительно, в нелинейной емкости, в качестве ко­торой может использоваться обратно смещенный p-n-переход, поток носителей заряда существенно меньше, чем в транзисторе. Соответственно, в нелинейной емкости существенно меньше и шум, вызванный носителями заряда. Кроме того, нелинейную

емкость, но не транзистор, можно использовать при температу­рах, близких к абсолютному нулю. Это еще больше позволяет сни­зить уровень шума.

Рис. 18.7. Эквивалентная схема двухконтурного параметрического усилителя

Как правило, параметрические усилители находят примене­ние в области высоких и сверхвысоких частот. Качественная рабо­та электронных устройств в этом диапазоне частот тесно связана с высокими требованиями, которые предъявляются к их конст­рукции. Учитывая диапазон частот, параметрические усилители, как правило, выполняют на базе полосковых линий. Основная сложность при проектировании параметрических усилителей со­стоит в разработке цепей развязки между нелинейной емкостью и цепями подачи сигналов.