Betrachten Sie einen variablen Kondensator
,
sich unter Einwirkung der Pumpspannung ändert u n(T) = U n weil ( w n t). An diesen Kondensator lasse man eine Wechselspannung anlegen du C(T) = U 1 wegen ( w 1 T + J), dann wird der kapazitive Strom sein
Somit enthält das aktuelle Spektrum Komponenten mit Frequenzen w 1 , w n + w 1 und w n - w 1 . Diese Frequenzen können mit ausreichend hochwertigen, auf Frequenzen abgestimmten Schaltungen isoliert werden w 1 und w 2 = w n ± w 1 und durch eine gemeinsame nichtlineare Kapazität verbunden (Abb. 65).
Impedanz Verluste im Primärkreis werden R 1 = R" 1 ||R ich(Wo R ich ist der Innenwiderstand der Signalquelle). Lassen Sie diese Schaltung auf eine Frequenz nahe der Frequenz des verstärkten Signals abgestimmt werden, d.h. N 1 " w 1 . Dementsprechend die zweite Schaltung L 2 C 2 R 2 auf Frequenz abgestimmt w 2 = w n ± w 1 (N 2 » w 2). Betrachten Sie den Fall, wenn die Teilfrequenzen N 1 und N Die 2 Stromkreise sind weit voneinander entfernt, so dass es wenig Konnektivität gibt. In diesem Fall liegen die Normalfrequenzen nahe an den Teilfrequenzen (die Verschiebung zwischen den Teilfrequenzen und den entsprechenden Normalfrequenzen ist gering und wir können davon ausgehen, dass sie im Durchlassbereich der Schaltungen liegt, d. h. jede Schaltung schwingt auf ihrer eigenen Frequenz mit). Somit erhöht die Schaltung ihre Frequenz stark und schwächt den Rest.
Bei ausreichend hoher Güte der Schaltungen sind die Widerstände jeder Schaltung für Frequenzen weit entfernt von ihrer Teilfrequenz praktisch gleich Null. Somit ist die Schaltung nur in einem kleinen Frequenzbereich nahe ihrer Teilfrequenz eine aktive Last. In dem Schema, das wir im Hauptstromkreis betrachten, kann Wirkleistung nur bei einer Frequenz zugewiesen werden w 1 , und in der zusätzlichen - bei einer der Frequenzen w 2 = w n ± w 1 . Da wir also nur eine Frequenz in jedem Stromkreis überwachen können, schreiben wir für diese Frequenzen die harmonischen Gleichgewichtsgleichungen
 | (7.20) |
Nehmen wir eine Varicap als nichtlineare Kapazität an. Dann ist bekanntlich
.
Weil das du C = u 1 + u n - u 2 , dann müssen wir im Rahmen des harmonischen Gleichgewichts setzen u n = Ein weil ( w n t), u 1 = A 1 wegen ( w 1 T + j 1), u 2 = A 2 wegen ( w 2 T + j 2) (Phase j 1 und j 2 werden aus der Pumpenspannung gezählt). Indem wir diese Ausdrücke in den Ausdruck für die Ladung einsetzen, erhalten wir die Verhältnisse für die Komponenten der Ladung auf der Kapazität C bei Frequenzen w 1 und w 2:
In diesem Fall ist die harmonische Gleichgewichtsgleichung (7.20) unter dem Einfluss eines harmonischen Signals ich 1 = ICH 1 wegen ( w 1 T + J) hat die Form:
| , | (7.21) |
| . | (7.22) |
Vereinfachen wir diese Ausdrücke ein wenig, indem wir die Teilfrequenzen einführen N 1 und N 2, Verstimmung X 1 und X 2, Qualitätsfaktor Q 1 und Q 2 Verstärkerschaltungen:
, 
; , ;
, 
.
Dann nimmt in diesen Notationen Gleichung (7.21) die Form an
Die resultierende Beziehung muss jederzeit gelten, daher sollte sie im rechten und linken Teil der Koeffizienten bei cos( w 1 T + j 1) und Sünde ( w 1 T + j 1). Auf die rechte Seite legen J = j 1 + (J - j 1); ± j 2 = j 1 + (± j 2 - j 1), dann erhalten wir nach einfachen trigonometrischen Transformationen der rechten Seite
Wir quadrieren (7.25) und (7.26) und addieren, dann können wir bekommen
Denken Sie daran, dass das obere Zeichen dem Fall entspricht w 2 = w n + w 1 und unten - w 2 = w n - w 1 . Der resultierende Ausdruck zeigt, dass die Amplitude des parametrischen Verstärkers mit Niederfrequenzpumpen ( w n = w 2 - w 1) unterscheidet sich signifikant von der Amplitude des Verstärkers mit Hochfrequenzpumpen ( w n = w 2 + w 1). Betrachten wir nun jeden dieser Fälle getrennt.
Im ersten Fall (bei Aufwärtswandlung) wird durch die Feinabstimmung der Konturen das exakte Maximalsignal erreicht, d.h. X 1 = X 2 = 0. In diesem Fall sind die Schwingungsamplituden im ersten und zweiten Kreis:
 ,  .
| (7.29) | |
 Reis. 66. Abhängigkeit von Amplituden A 1 und A 2 auf der Pumpamplitude Ein bei Feinabstimmung Verstärkerschaltungen. | Auf Abb. 66 zeigt Abhängigkeit A 1 und A 2 aus Ein bei der Feinabstimmung der Verstärkerschaltungen. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Schwingungsamplitude im Primärkreis mit zunehmender Pumpamplitude monoton abnimmt. Somit entfällt in diesem Fall die Signalverstärkung im Primärkreis. Allerdings ist die Amplitude der Schwingungen im zweiten Kreis proportional zur Amplitude Eingangssignal bei A N< A 0 wächst mit dem Wachstum Ein. Daher ist eine Up-Conversion-Verstärkung in dem System möglich, wenn as | |
Ausgangssignal, um Schwingungen im zweiten Schaltkreis des Verstärkers zu verwenden. Ein solcher Verstärker ist ein nicht-regenerativer aufwärtswandelnder parametrischer Verstärker. Lassen Sie uns seinen Leistungsverstärkungsfaktor bestimmen. Unter Leistungsverstärkung verstehen wir das Verhältnis der Leistung am Ausgang des Verstärkers zur Leistung des der angepassten Last zugeordneten Eingangssignals. Wenn die Verluste des Primärkreises klein genug sind und R ich << R„1 also R 1 " R i und Eingangsquelle ich 1 gibt der angepassten Last n 1 = Strom N 2. Somit ist die Leistungssteigerung nur mit einer Erhöhung der Quantenfrequenz und nicht ihrer Anzahl verbunden, sodass das Rauschen eines solchen Verstärkers minimal und ziemlich stabil ist.
Ein Verstärker mit einer Frequenzumwandlung nach unten ( w 2 = w n - w 1) ist ein herkömmlicher regenerativer Verstärker und bietet keine Vorteile gegenüber dem regenerativen Modus eines Single-Loop-Verstärkers.
PARAMETRISCHER VERSTÄRKER- ein funkelektronisches Gerät, bei dem die Leistungsverstärkung des Signals aufgrund der Energie des Äußeren erfolgt. Quelle (sog. Generator Pumpen) B. periodisches Ändern der Kapazität oder Induktivität eines nichtlinearen reaktiven elektrischen Elements. Verstärkerschaltungen. P. bei. gelten ch. Arr. in der Radioastronomie, Weltraum. und Satellitenkommunikation und Radar als rauscharmer Verstärker von schwachen Signalen, die am Eingang eines Funkempfängers empfangen werden, überwiegend. im Mikrowellenbereich. Am häufigsten in P. bei. parametric wird als reaktives Element verwendet. Halbleiterdiode (SPD). Darüber hinaus wird im Mikrowellenbereich P. at. verwendet, das an Kathodenstrahllampen arbeitet, im Bereich niedriger (Schall-) Frequenzen - P. at. mit Ferromagnet. (Ferrit) Element.
Naib. Zweifrequenz- (oder Zweikreis-) P. at. sind weit verbreitet: im Zentimeterbereich - regenerative Verstärker mit Frequenzerhaltung (Abb., A), auf Dezimeterwellen - Verstärker - Frequenzumsetzer (Abb., B)(cm. Parametrische Erzeugung und Verstärkung elektromagnetischer Schwingungen). als Empfangsoszillator. Konturen und Schwingungen. eine Schaltung, die auf eine Hilfs- oder „Leer“frequenz abgestimmt ist (meistens gleich der Differenz oder Summe der Frequenzen des Signals und des Pumpgenerators), in P. at. normalerweise verwenden Hohlraumresonatoren, innerhalb to-rykh haben PPD.
Ersatzschaltbilder parametrischer Verstärker: A- regenerativ; B- mit Frequenzumsetzung "auf"; u in - Eingangssignal mit Trägerfrequenz F Mit; u c - Pumpenspannung; u out - Ausgangssignal mit Trägerfrequenz F Mit; andere:: - Ausgangssignal mit Trägerfrequenz ( f c + f N ); Tp 1 - Eingangstransformator; Tr 2 - Ausgangstransformator; Tr n - Transformator im Pumpenkreis; D - parametrische Halbleiterdiode; L- Induktor des Schwingkreises, abgestimmt auf die Frequenz ( F N - F Mit); Fs, F cn, F n - elektrische Filter mit jeweils niedriger Impedanz bei Frequenzen F Mit, ( F s ± F N), F und ausreichend groß bei allen anderen Frequenzen.
Wird in Pumpgeneratoren verwendet Lawinendiode, Gunn-Diode, Varactor-Frequenzmultiplikator und reflektieren selten. Klystron. Die Pumpenfrequenz und "Leerlauf"-Frequenz werden in den meisten Fällen nahe kritisch gewählt. Frequenz F kr PPD (d. h. auf die Frequenz, bei der P. at. aufhört zu verstärken); in diesem Fall sollte die Signalfrequenz viel niedriger sein F kr. Um mind. Rauschtemperaturen (10 - 20 K oder weniger) werden von P. at. verwendet, gekühlt auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K), flüssigem Helium (4,2 K) oder Zwischenprodukten (normalerweise 15 - 20 K); bei ungekühltem P. bei. Rauschtemperatur 20 - 500 K und mehr. Die maximal erreichbare Quote. Verstärkung und Bandbreite P. bei. sind im Wesentlichen definiert reaktive Elementparameter. Implementiert P. bei. mit Koeffizient Leistungsverstärkung des empfangenen Signals gleich 10 - 30 dB und Bandbreiten, die 10 - 20 % der Trägerfrequenz des Signals ausmachen.
P. bei. von transistorisierten rauscharmen Mikrowellenverstärkern, sowohl gekühlt als auch ungekühlt, abgelöst, aber weiterhin im Millimeterwellenbereich verwendet, wo sie Transistorverstärker immer noch übertreffen.
Vielleicht hat nicht jeder versucht, darüber nachzudenken, was Verstärkung ausmacht.
Wir können elektrische Schwingungen nicht verstärken, ohne eine bestimmte Menge an Energie aufzuwenden. Verstärkte Schwingungen haben eine große Amplitude, ihre Energie nimmt zu. Überschüssige Energie kann nicht aus dem Nichts kommen. Es muss von außen eingegeben werden.
So passiert es tatsächlich. Ohne Leistung, ohne Energiezufuhr kann der Verstärker nicht arbeiten, und die Energie muss so in das System eingebracht werden, dass die darin vorhandenen elektrischen Schwingungen verstärkt werden. Der Energieeintrag muss im Takt der Schwingungen erfolgen, sonst können die vorhandenen Schwingungen eher gedämpft als verstärkt werden.
Zu den neuen Arten von Verstärkern gehören die sogenannten parametrischen Verstärker. Lernen wir ihre Arbeit kennen.
Der Schwingkreis besteht aus einer Induktivität und einem Kondensator. Die Werte von Induktivität und Kapazität sind einer der Parameter der Schaltung. Erinnern Sie sich, wie hoch die Spannung am Kondensator ist, wenn eine Ladung an ihn angelegt wird. Es ist gleich:
wo und - Spannung am Kondensator; q ist seine Ladung und C ist seine Kapazität.
Die Spannung ist direkt proportional zur Ladungsmenge und umgekehrt proportional zur Kapazität des Kondensators. Aus diesem Ausdruck folgt, dass es zur Erhöhung der Spannung am Kondensator nicht erforderlich ist, seine Ladung zu erhöhen, dh ihm eine zusätzliche Portion Elektrizität zuzuführen. Dies kann auch durch Verringerung der Kapazität des Kondensators erreicht werden.
Treten im Stromkreis elektrische Schwingungen auf, so ändert sich die Ladung und damit die Spannung am Kondensator sinusförmig. Zweimal während dieses Zeitraums ist die Ladung auf den Kondensatorplatten am größten.
Und was passiert, wenn wir genau in diesen Momenten die Kapazität des Kondensators reduzieren? Die Ladung des Kondensators ändert sich dadurch nicht, aber die Spannung am Kondensator steigt um den gleichen Betrag wie die Kapazität des Kondensators abgenommen hat.
Eine Erhöhung der Spannung am Kondensator bedeutet jedoch eine Erhöhung der Amplitude der Schwingungen, ihrer Verstärkung. Um die Schwingungen in der Schaltung zu verstärken, ist es somit möglich, ihre Kapazität in den Momenten der größten Ladung des Kondensators zu verringern, so dass in den Momenten der vollständigen Entladung des Kondensators die Kapazität des Kondensators wiederhergestellt werden kann seinen Anfangswert. Während der Schwankungsperiode muss die Kapazität zweimal erhöht und zweimal auf ihren ursprünglichen Wert zurückgesetzt werden. Dies sollte im Takt der Schwingungen erfolgen – genau in den Momenten der größten Aufladung und der vollständigen Entladung – und phasengleich mit ihnen – in den Momenten der vollen Aufladung abnehmen und in den Momenten der vollständigen Entladung ansteigen.
Mit dieser Methode ist es möglich, die Schwingungen in der Schaltung zu verstärken. Da die Verstärkung durch Änderung eines der Parameter der Schaltung erfolgt, wird diese Methode aufgerufenparametrische Verstärkung.
Die Verstärkung erfolgt hier natürlich nicht ohne Energieaufwand. In einem Kondensator zwischen den Platten gibt es ein elektrisches Feld, und um die Platten auseinander zu drücken, muss eine bekannte Energie (gleich.
Diese Energie erhöht das Feld des Kondensators, wodurch die Spannung darüber ansteigt. In den Momenten der vollständigen Entladung des Kondensators wird eine Erhöhung seiner Kapazität auf den Anfangswert nicht von der Übertragung zusätzlicher Energie begleitet, da die Konvergenz der Platten nicht auf den Widerstand des Feldes trifft, der fehlt (der Einfachheit halber berücksichtigen wir keine anderen Arten von Energieverlusten, um die ursprüngliche Kapazität des Kondensators wiederherzustellen).
Die praktische Umsetzung eines parametrischen Verstärkers ist nicht besonders schwierig. Hierzu können Sie beispielsweise eine Halbleiterdiode verwenden. Die Diode hat eine Sperrschicht, in der sich keine freien Ladungsträger befinden. Diese Schicht befindet sich zwischen Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit. Eine Diode ist also im Wesentlichen ein Kondensator. Der Abstand zwischen den „Platten“ dieses Kondensators, also die Dicke der Sperrschicht, hängt von Vorzeichen und Größe der Spannung in beiden Schichten ab. Bei Anlegen einer Spannung in "Vorwärts"-Richtung nimmt die Schichtdicke ab, bei Anlegen einer Spannung in entgegengesetzter Richtung nimmt sie zu. Durch Ändern der Spannung an den Schichten der Diode ist es möglich, die Kapazität des „Kondensators“, der die Diode ist, nach Bedarf zu ändern. Die Diode ist ein "variabler Kondensator", bei dem die Kapazitätsänderung durch die zu verstärkenden Schwingungen gleich gesteuert werden kann, und sie erhält ihre Energie von einem Oszillator, der oft als Pumpgenerator bezeichnet wird.
Eine Zunahme der Amplitude von Schwingungen, deren Verstärkung nicht unendlich sein kann. Beim Erreichen einer bestimmten Grenze beginnt das Gerät, Schwingungen zu erzeugen - es wird zu einem parametrischen Generator.
Moderne Dioden ermöglichen parametrischen Verstärkern den Betrieb bei sehr hohen Frequenzen – bis zu mehreren zehntausend Megahertz.Parametrische Verstärkerzeichnet sich durch sehr geringes Eigenrauschen aus. Legt man an die Sperrschicht eine negative Vorspannung an, so gibt es in dieser Schicht praktisch keine freien Ladungsträger mehr und das Rauschen wird auf einen unbedeutenden Wert reduziert.
Wie der Leser wahrscheinlich bemerkt hat, haben parametrische Verstärker viel mit regenerativen Verstärkern gemeinsam. Diese Ähnlichkeit geht sogar noch weiter. Vielleicht ist das Gerät eine Art "superregenerativer" parametrischer Verstärker. Die Funktionsprinzipien von superparametrischen und superregenerativen Verstärkern sind im Wesentlichen gleich. Der parametrische Verstärker wird eine bestimmte Anzahl von Malen pro Sekunde zur Erzeugung gebracht, die sofort gelöscht wird (der Superregenerator arbeitet auf die gleiche Weise). Der parametrische Superregenerator ermöglicht es, die Signalleistung teilweise um das Zehnmillionenfache zu verstärken.
Aus dem vorigen Absatz folgt, dass es durch Einbringen einer variablen Kapazität oder Induktivität in den Schwingkreis möglich ist, mit dem entsprechenden Gesetz der Parameteränderung die Schwingungen zu verstärken. Die einfachste Schaltung eines parametrischen Einzelschleifenverstärkers mit variabler Kapazität ist in Abb. 1 dargestellt. 10.14 ein. Die nichtlineare Kapazität steht unter dem Einfluss von zwei Spannungen: einer Signalspannung mit einer Frequenz und einer Pumpspannung mit einer Frequenz .
Koppelkondensatoren schützen den Pumpgenerator und die Signalquelle vor der Gleichspannung, die verwendet wird, um den Arbeitspunkt auf der Varicap-Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie festzulegen. Die Sperrdrossel sperrt für hochfrequente Ströme den Weg zum Quellkreis.
Betrachten wir zunächst die Arbeitsweise des Verstärkers unter genauer Beachtung der Bedingung . In diesem sogenannten Synchronmodus stimmt die Kombination Frequenz Schlaf - mit der Frequenz überein, so dass nur bei einer Frequenz ein Strom im Stromkreis fließt. Das Ersatzschaltbild für den Synchronmodus ist in Abb. 2 dargestellt. 10.14, b für den Fall der entsprechenden negativen reellen Leitfähigkeit
Reis. 10.14. Einkreisiger parametrischer Verstärker (a) und Ersatzschaltbild (b)
Das Symbol zeigt die Summe der Kapazität des Schaltungskondensators und der durchschnittlichen Kapazität des Varicap (entsprechend einer konstanten Spannung).
Um die Analyse zu vereinfachen, wird die Quelle des EMF-Signals , die in der Schaltung in Reihe enthalten ist, in Abb. 10.15 durch einen parallel zum Stromkreis geschalteten und mit der inneren Leitfähigkeit G überbrückten Stromgenerator. Die Lastleitfähigkeit umfasst auch die Leitfähigkeit unter Berücksichtigung von Leistungsverlusten in den Schaltungselementen. Das Überbrücken des Lastleitwerts mit negativem Leitwert verringert den Gesamtleitwert und erhöht somit die Güte der Schaltung. Es stellt sich die Wirkung der Verstärkung heraus.
Lassen Sie uns einen Ausdruck für die Verstärkung formulieren als das Verhältnis der Signalleistung am Verstärkerausgang zur maximalen Leistung, die ohne parametrische Modulation erhalten werden kann. Wie bekannt ist, wird die maximale Verlustleistung in der Lastleitfähigkeit (ohne Verstärkung) erreicht, wenn die Signalleistung
(I - Amplitude des Generatorstroms).
Beim Anschluss zusätzlicher Leitfähigkeit beträgt die Ausgangsspannung und die in der Lastleitfähigkeit freigesetzte Leistung,
Daher der Leistungsgewinn
Denken Sie daran, dass dies ein negativer Wert ist.
Dieser Ausdruck impliziert direkt den Stabilitätszustand eines parametrischen Verstärkers (im Synchronmodus)
woraus der kritische Wert des parametrischen Modulationskoeffizienten resultiert
wo ist der Qualitätsfaktor der Schaltung unter Berücksichtigung von .
Beachten Sie, dass es bei , d. h. wenn die parametrische Modulation Verluste nur in der Leistungsverstärkung kompensiert, nur vier sind.
Reis. 10.15. Einkreisiger parametrischer Verstärker (zur Schaltung in Abb. 10.14, a)
In der Praxis ist es beim Verstärken eines realen Signals, dessen Phase nicht bekannt ist und dessen Frequenz sich in einem bestimmten Band ändern kann, unmöglich, die Bedingungen des Synchronmodus einzuhalten. Sei die Signalfrequenz nicht genau a, wo eine kleine Abweichung ist, die nicht aus dem Transparenzband des Schwingkreises herausgeht. Dann wird die Kombinationsfrequenz Traum sein -) In diesem Fall erscheinen zwei Schwingungen im Durchlassbereich der Schaltung: eine mit einer Frequenz (Nutzsignal) und die andere mit einer Frequenz (Kombinationsfrequenz).
Das Verhältnis zwischen den Amplituden dieser beiden Schwingungen hängt von der Tiefe der Kapazitätsmodulation und vom Wert von ab. Eine detaillierte Analyse, die hier nicht gegeben wird, zeigt, dass für Werte nahe dem kritischen Wert [vgl (10.42) und relativ kleiner Verstimmung Q sind die Amplituden beider Schwingungen annähernd gleich. Es gibt Schwebungen und die damit verbundenen Folgen (Pulsieren der Amplitude und Phasenänderungen der resultierenden Schwingung). Zwar lässt sich zeigen, dass auch bei einer Frequenzabweichung die mittlere Schwingungsleistung über die Schwebungsdauer größer ist als ohne parametrische Wirkung, d.h. dass in diesem sogenannten biharmonischen Regime eine Signalverstärkung stattfindet. Diese Arbeitsweise des Verstärkers ist jedoch nicht immer akzeptabel.
Von den Mängeln, die einem parametrischen Einzelschaltungsverstärker inhärent sind, ist die im nächsten Absatz betrachtete Schaltung frei.
Die Fähigkeit von gesteuerten reaktiven Zweipolen, unter bestimmten Bedingungen die Rolle aktiver Schaltungselemente zu spielen, diente als Grundlage für die Entwicklung eines speziellen Typs von funktechnischen Geräten, die als parametrische Verstärker bezeichnet werden. Diese Verstärker haben vor allem im Mikrowellenbereich als Eingangsstufen hochempfindlicher Rundfunkempfänger Anwendung gefunden. Der Hauptvorteil parametrischer Verstärker ist das geringe Eigenrauschen, das mit dem Fehlen von Schussstromschwankungen in ihnen verbunden ist.
Implementierung von parametrisch gesteuerten reaktiven Elementen.
Die Möglichkeit der parametrischen Verstärkung von Signalen wurde zu Beginn des Jahrhunderts theoretisch vorhergesagt.
Die plastische Umsetzung dieser Idee wurde jedoch erst in den 50er Jahren möglich, nachdem die ersten erfolgreichen Designs parametrischer Halbleiterböden entstanden waren. Die Wirkungsweise dieser Dioden, auch Varaktoren genannt, beruht auf folgendem Effekt. Wird an den Übergang der Diode eine Spannung umgekehrter Polarität angelegt, so ist die geteilte Ladung q in der Sperrschicht eine nichtlineare Funktion der angelegten Spannung u. Die Abhängigkeit wird als Volt-Coulomb-Charakteristik eines solchen nichtlinearen Kondensators bezeichnet. Wenn sich die Spannung in der Sperrverbindung des Bodens ändert, entsteht ein Vorstrom
Hier ist die Differenzkapazität des Varaktors, die ungefähr durch die Formel beschrieben wird
wo k - Dimensionskoeffizient; - Kontaktpotentialdifferenz.
Je mehr der Übergang blockiert ist, desto geringer ist seine Differenzkapazität.
Moderne Varaktoren haben sehr fortschrittliche Eigenschaften und sind in der Lage, bis zu Frequenzen von mehreren zehn Gigahertz zu arbeiten, was dem Millimeter-Wellenlängenbereich entspricht.
Es kann auch ein Element mit parametrisch gesteuerter Induktivität geschaffen werden, das ist eine Induktionsspule mit einem Kern aus einem ferromagnetischen Material mit einer ausgeprägten Abhängigkeit der Induktion B vom Magnetisierungsstrom I. Solche Elemente werden bei Hochfrequenzen aufgrund dessen nicht weit verbreitet die große Trägheit der Prozesse der Ummagnetisierung des Materials.
Parametrischer Verstärker mit einer Schleife.
Stellen Sie sich einen Signalgenerator vor, der aus einer Parallelschaltung eines Elements mit aktiver Leitfähigkeit und einer idealen Quelle für harmonischen Strom mit Amplitude und Frequenz besteht. Eine ohmsche Last mit Leitfähigkeit ist mit dem Generator verbunden. An den Klemmen des Generators liegt eine Spannung mit einer Amplitude an, bei der die Lastwirkleistung abgegeben wird
Wie aus der Schaltungstheorie bekannt ist, gilt im Modus der Anpassung der Last an den Generator, wenn der Wert seinen Maximalwert erreicht:
(12.37)
Offensichtlich kann die Leistung in der Last erhöht werden, indem die Generatorleitfähigkeit auf irgendeine Weise verringert wird. Dies kann beispielsweise durch Parallelschaltung eines parametrischen Kondensators (Varaktor) zum Generator erreicht werden.
Reis. 12.4. Schemata eines parametrischen Verstärkers mit einer Schaltung: a - einfach; b - Äquivalent
Die Kapazität des Varaktors sollte sich mit der Frequenz ändern Die Anfangsphase des Pumpgenerators sollte so gewählt werden, dass der Widerstand [vgl. Formel (12.34)] war negativ.
Auf Abb. 12.4, a, b zeigt die Schaltungen des einfachsten parametrischen Einzelschaltungsverstärkers, der dieses Prinzip implementiert.
Induktives Element L zusammen mit einem Kondensator [vgl. Formel (12.27)] bilden einen auf die Signalfrequenz abgestimmten Parallelschwingkreis. Der Eingangswiderstand dieser Schaltung ist so hoch, dass sie die negative aktive Leitfähigkeit praktisch nicht überbrückt
eingeführt durch den Varaktor.
Unter Bezugnahme auf Abb. 12.4, b, stellen wir fest, dass die in der Last freigesetzte Leistung auch im Anpassungsmodus maximal ist, d.h. wenn
Das Verhältnis dieses Werts zu dem, der durch Formel (12.37) in Abwesenheit eines parametrischen Elements bestimmt wird, wird allgemein als Nennverstärkung bezeichnet
Lassen Sie zum Beispiel . Dann oder in logarithmischen Einheiten.
Stabilität eines parametrischen Verstärkers.
Wenn die negative Konduktanz des Varaktors die Summe der Generator- und Lastkonduktanzen vollständig kompensiert, wird der parametrische Verstärker instabil und selbsterregt.
Aus dem Ersatzschaltbild in Abb. 12.4, b, folgt, dass der kritische Wert der eingeführten negativen Leitfähigkeit
Unter der Annahme, dass die Phasenbeziehungen von Signal- und Pumpschwingungen optimal sind in dem Sinne, dass wir aus den Formeln (12.34), (12.41) die kritische Tiefe der Kapazitätsmodulation finden:
Beispiel 12.3. Ein parametrischer Einkreisverstärker arbeitet bei einer Frequenz ), der Signalgenerator und die Last haben die gleiche Leitfähigkeit, Varaktorkapazität. Bestimmen Sie die Begrenzungsgrenzen der Kapazitätsänderung, bei deren Erreichen der Verstärker selbsterregt wird.
Nach der Formel (12.42) bestimmen wir
Ein parametrischer Verstärker ist also selbsterregt, wenn sich die Kapazität des Varaktors, die sich nach dem harmonischen Gesetz zeitlich ändert, von bis ändert
Parametrische Verstärkung im Detuning-Modus.
Unter realen Bedingungen ist es schwierig und manchmal unmöglich, die Synchronbedingung genau zu erfüllen.Wenn die Signalfrequenz relativ zum erforderlichen Wert etwas verstimmt ist, heißt es, dass der parametrische Verstärker in einem asynchronen Modus arbeitet. In diesem Fall ist der Wert Ф, der nach (12.34) den eingebrachten Wirkwiderstand bestimmt, zeitabhängig: Der eingebrachte Widerstand ändert sich nach dem Gesetz
erwirbt periodisch unterschiedliche Vorzeichen. Als Folge gibt es tiefe Änderungen im Pegel des Ausgangssignals, ähnlich wie Schwebungen. Dieser Nachteil von Einzelschleifenverstärkern behindert ihre praktische Verwendung weitgehend.
Parametrischer Verstärker mit zwei Schaltkreisen.
Arbeiten, die darauf abzielen, die Leistung von parametrischen Verstärkern zu verbessern, haben zur Schaffung grundlegend unterschiedlicher Vorrichtungen geführt, die frei von den oben genannten Nachteilen sind. Der sogenannte Zweischleifenverstärker ist in der Lage, unabhängig von den Anfangsphasen dieser Schwingungen bei einem beliebigen Verhältnis von Signal- und Pumpfrequenz zu arbeiten. Dieser Effekt wird durch die Verwendung von Hilfsschwingungen erreicht, die bei einer der Kombinationsfrequenzen auftreten.
Das Diagramm eines parametrischen Verstärkers mit zwei Schaltungen ist in Abb. 1 dargestellt. 12.5.
Der Verstärker besteht aus zwei Schwingkreisen, von denen der eine, Signalkreis genannt, auf die Frequenz und der andere, der sogenannte Ruhekreis, auf die Ruhefrequenz abgestimmt ist Die Verbindung zwischen den Kreisen erfolgt über die parametrische Kapazität des Varaktors, der sich nach dem harmonischen Gesetz zeitlich mit der Pumpfrequenz ändert:
Reis. 12.5. Diagramm eines parametrischen Verstärkers mit zwei Schleifen
Üblicherweise sind die Qualitätsfaktoren der Signal- und Ruheschaltungen hoch. Daher werden im stationären Modus die Spannungen an diesen Schaltkreisen ziemlich genau durch die harmonischen Funktionen der Zeit beschrieben:
mit einigen Amplituden und Anfangsphasen.
Unter Berücksichtigung der in Abb. 12.5 finden wir, dass die Spannung am Varaktor, von wo der Strom durch den Varaktor
(12.44)
Analysieren wir die spektrale Zusammensetzung dieses Stroms. Mit der bereits bekannten Formel stellen wir sicher, dass der Strom Komponenten bei der Signalfrequenz, bei der Leerlauffrequenz und auch bei Kombinationsfrequenzen enthält
Um die durch die Reihenschaltung des Varaktors und des Leerlaufkreises in den Signalkreis eingebrachte Leitfähigkeit zu finden, muss zunächst die Stromkomponente bei der Signalfrequenz in Formel (12.44) isoliert werden:
(12.45)
Hier ist der erste Term zeitlich um 90° phasenverschoben mit der Spannung und ist daher nicht mit der Einführung einer aktiven Leitung in die Schaltung verbunden. Der zweite Term ist proportional zur Spannungsamplitude am Leerlaufkreis. Um diese Größe zu finden, heben wir in (12.44) den Nutzanteil des Stroms bei Leerlauffrequenz hervor, der proportional zur Amplitude ist
Wenn - der Resonanzwiderstand des Leerlaufkreises, dann die Spannung daran, verursacht durch Schwingungen bei der Signalfrequenz,
woraus folgt
(12.47)
Setzen wir die Werte in den zweiten Term der Formel (12.45) ein, erhalten wir den Ausdruck für die Nutzstromkomponente bei der Signalfrequenz, die auf den Einfluss des Varaktors und der Leerlaufschaltung zurückzuführen ist:
Somit stellt sich die durch die Reihenschaltung von Varaktor und Leerlaufkreis in den Signalkreis eingebrachte Leitfähigkeit als aktiv und negativ heraus:
Die Nennverstärkung wird nach Formel (12.40) berechnet. Die Stabilitätsanalyse wird auf die gleiche Weise wie bei einem Einschleifenverstärker durchgeführt.
Beim Vergleich der Formeln (12.38) und (12.49) ist festzustellen, dass in einem Zweikreisverstärker die eingeführte negative Leitfähigkeit nicht mit den Anfangsphasen des Signals und des Pumpens zusammenhängt. Außerdem ist ein parametrischer Verstärker mit zwei Schleifen nicht kritisch für die Wahl der Frequenzen coc, und die eingeführte Leitfähigkeit wird immer negativ sein, wenn
Leistungsbilanz in parametrischen Multiloop-Systemen.
Die Unempfindlichkeit parametrischer Verstärker mit Raman-Oszillationen gegenüber dem Verhältnis der Phasen des Nutzsignals und der Pumpe ermöglicht es, solche Systeme anhand einfacher Energiebeziehungen zu untersuchen. Wenden wir uns dem allgemeinen Schema in Abb. 12.6.
Hier sind drei Schaltungen mit dem nichtlinearen Kondensator parallel geschaltet. Zwei davon enthalten Signal- und Pumpquellen, die dritte ist passiv und dient als auf die Kombifrequenz (- ganzzahlig) abgestimmte Leerlaufschaltung. Jede Schaltung ist mit einem schmalbandigen Filter ausgestattet, der nur Schwingungen mit Frequenzen nahe beieinander durchlässt. Der Einfachheit halber wird angenommen, dass die Signal- und Pumpkreise keine ohmschen Verluste aufweisen.
Lassen Sie eine der Quellen (Signal oder Pumpe) fehlen. Dann gibt es in dem Strom, der durch den nichtlinearen Kondensator fließt, keine Komponenten mit Kombinationsfrequenzen. Der Leerlaufschleifenstrom ist Null und das System als Ganzes verhält sich wie ein Blindschaltkreis, der im Durchschnitt keine Energie aus der Quelle zieht.
Wenn beide Quellen verfügbar sind, erscheint eine Stromkomponente bei der Kombinationsfrequenz; dieser Strom kann nur über den Ruhestromkreis geschlossen werden.
Reis. 12.6. Zur Herleitung von Energiebeziehungen in einem zweischleifigen parametrischen System
Die hier verfügbare Last verbraucht im Durchschnitt Strom, und in die Signal- und Pumpkreise werden positive oder negative Widerstände eingeführt, deren Wert und Vorzeichen die Umverteilung der Energie zwischen den Quellen bestimmen.
Das betrachtete System ist geschlossen (autonom), und basierend auf dem Energieerhaltungssatz stehen die mittleren Leistungen der Signal-, Pump- und Raman-Oszillationen durch die Beziehung in Beziehung
Die über die Schwingungsdauer T gemittelte Leistung lässt sich durch die in diesem Zeitintervall freigesetzte Energie E ausdrücken:
( - Frequenz in Hertz). Auf diese Weise,
oder in Anbetracht dessen
Wie üblich betrachten wir die in der Last freigesetzte positive Leistung und die vom Generator abgegebene negative Leistung. Aus den Beziehungen (12.54) ist ersichtlich, dass seitdem So, wenn der Leerlaufkreis des Verstärkers auf eine Frequenz abgestimmt ist, beide Quellen (Signal und Pumpe) Leistung an den Leerlaufkreis abgeben, wo sie in der Last verbraucht wird. Denn der Leistungsgewinn
Der Vorteil dieser Methode der parametrischen Verstärkung liegt in der Stabilität des Systems, das sich bei keiner Signal- und Pumpleistung selbst anregen kann. Der Nachteil ist, dass die Frequenz des Ausgangssignals höher ist als die Frequenz des Signals am Eingang. Im Mikrowellenbereich bereitet dies gewisse Schwierigkeiten bei der Weiterverarbeitung von Schwingungen.
Regenerative parametrische Verstärkung.
Das heißt, die Abstimmfrequenz der Leerlaufschaltung.Die Manly-Rowe-Gleichungen nehmen die Form an
Wie aus der ersten Gleichung folgt, sind in diesem Modus beide Leistungen positiv, so dass ein Teil der vom Pumpgenerator entnommenen Leistung in den Signalkreis gelangt, d.h. im System wird eine Regeneration bei der Signalfrequenz beobachtet. Die Ausgangsleistung kann sowohl dem Signal- als auch dem Leerlaufkreis entnommen werden.
Die Gleichungen (12.56) erlauben es nicht, die Systemverstärkung zu bestimmen, da die Leistung sowohl einen Teil enthält, der von Geräten verbraucht wird, die an den Verstärkereingang angeschlossen sind, als auch einen Teil, der durch den Regenerationseffekt entsteht. Man kann die Fähigkeit solcher Verstärker zur Selbsterregung feststellen, da unter Umständen auch ohne Nutzsignal am Eingang im Signalkreis eine Leistung ungleich Null entsteht.
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