Параметрические усилители

На основании принципа параметрического резонанса строятся параметрические усилители. Различают три наиболее важных режима усиления: 1) с преобразованием частоты “вверх”; 2) с преобразованием частоты “вниз”; 3) регенеративный вырожденный режим.

Первые два режима реализованы в двухконтурном усилителе, схема которого приведена на рисунке.

Усилитель содержит два контура: сигнальный (L₁C₁), настроенный на частоту ω_с, и выходной (L₂C₂), настроенный на одну из комбинационных частот (ω₊ или ω_-). Режим с преобразованием частоты “вверх” или “вниз” определяется частотой настройки выходного контура. На этом рисунке также обозначены: G_НС - проводимость нагрузки сигнального контура, G_Н2 - проводимость нагрузки холостого контура.

В усилителе с преобразованием частоты “вверх” выходной контур настраивается на суммарную частоту и предыдущее соотношение принимает вид

.

Так как всегда Р₊>0 (Р₊ - мощность, выделяемая в нагрузке), то из уравнений следует Р_НК<0 и Р_С<0. Это означает, что оба генератора (и сигнала, и накачки) отдают мощность в выходной контур. Из второго уравнения вытекает, что максимально возможный коэффициент усиления в рассматриваемом режиме равен

Усилители такого типа имеют ограниченное применение, поскольку на высоких частотах (там, где и используются параметрические усилители) трудно обеспечить большое значение отношения Достоинством такого режима усиления является высокая устойчивость работы усилителя.

В усилителе с преобразованием частоты “вниз” выходной контур подстраивается на резонансную частоту , и уравнение принимает вид

.

Как видно из первого равенства, мощности Р_С и Р_ - положительные, поскольку мощность, потребляемая нагрузкой Р_->0. Это означает, что часть мощности генератора накачки поступает в сигнальный контур и компенсирует часть теряемой в ней мощности, т. е. в усилителе происходит регенерация на частоте сигнала. Из этих уравнений нельзя получить коэффициент усиления, поскольку Р_С включает не только мощность, потребляемую нагрузкой, но и часть мощности, возникающей за счет регенерации. Тем не менее, записав первое уравнение в виде можно утверждать, что усиление будет тем больше, чем больше отношение

Усилители данного типа неустойчивы в работе, так как в сигнальный контур поступает мощность даже в отсутствие сигнала, что при определенных условиях может привести к самовозбуждению.

Одиночный регенеративный усилитель является частным случаем усилителя с преобразованием частоты “вниз”.

В этом усилителе частота накачки равна удвоенной частоте сигнала ,a разностная частота - частоте сигнала , поэтому отпадает необходимость в отдельном контуре, настроенном на разностную частоту. Двухконтурная схема “вырождается” в одноконтурную, откуда происходит название “вырожденный” режим. Если условиевыполняется строго, в контуре выделяется одно усиленное колебание, по амплитуде равное сумме колебаний на частоте сигнала и разностной частоте. Такой режим работы называется синхронным. Как было показано, он зависит от фазовых соотношений колебаний накачки и сигнала.

В реальных условиях невозможно точно выполнить условие синхронизации. Поэтому одноконтурный регенеративный усилитель всегда работает в асинхронном режиме, когда . При этом величинастановится функцией времени, поскольку получает случайную добавку δωt. Вносимое сопротивление также становится случайной функцией времени, и как следствие возникают случайные изменения усиления. Это является серьезным недостатком одноконтурных усилителей.

Параметрические усилители применяются в диапазоне частот от сотен МГц до десятков ГГц. Они имеют относительно узкую полосу пропускания 1...3 % и за счет этого, а также из-за отсутствия дробового эффекта, присущего активным элементам, - низкий уровень шумов.

Выводы

1.	Электрические системы, в которых хотя бы один из параметров (R, L или C) является переменным во времени, называются цепями с переменными параметрами, или параметрическими цепями.
2.	Если параметры зависят только от времени и не зависят от режима работы (т. е. от I или U), система является линейной.
3.	В цепях с переменными реактивными элементами, способными запасать и отдавать энергию, при определенных условиях могут происходить усиление и генерация колебаний.
4.	Математическое описание процессов, происходящих в параметрических цепях, сводится к линейным алгебраическим или дифференциальным уравнениям с переменными (во времени) коэффициентами.
5.	При изменении передаточной функции по любому сложному, но периодическому закону с основной частотой Ω, гармонический входной сигнал с частотой ω0 образует на выходе цепи спектр, содержащий частоты ω0, ω0±Ω, ω0±2Ω и т. д.
6.	В цепях с реактивными параметрическими элементами энергия накачки может преобразовываться в энергию сигнала.
7.	Уравнения Мэнли-Роу устанавливают количественные соотношения (баланс) между мощностями колебаний различных частот.
8.	Параметрические усилители применяются в диапазоне частот от сотен МГц до десятков ГГц. Они имеют относительно узкую полосу пропускания 1...3 % и за счет этого, а также из-за отсутствия дробового эффекта, присущего активным элементам, - низкий уровень шумов.