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参量放大器的基本原理和组成

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发表于 2015-8-13 17:04:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
现代无线电通信如卫星通信和宇宙通信,通信距离都远在数百万公里以上;最近发展起来的超远程雷达,探索距离也极其遥远。我们知道,当通信距离十分遥远时,收音机收到的信号就极其微弱。为了接收这种微弱的电信号,就必须提高接收机的灵敏度。但是接收设备的噪声却严重地阻碍着接收机灵敏度的提高,尤其是接收机第一级放大器所产生的噪声,对提高接收机灵敏度的影响最大。这是由于在第一级放大器中,噪声将和有用信号一起得到放大,如果有用信号功率低于噪声功率的话,通信就会变得十分困难。为了克服这个困难,人们研究了各种各样的低噪声放大器,如参量放大器、量子放大器和行波管等。下面我们就简单地介绍一下参量放大器的基本原理和组成。

参量放大的基本原理
无线电爱好者都知道,做放大器要用三极管或多极管。它们的电源供给,除了灯丝以外,大都用直流电源。但是参量放大器却是用二极管做成的,它的电源也不是直流的,而是一个高频振荡器。为了说明它的工作原理。首先让我们从电容器的作用谈起。

平行板电容器

平行板电容器


图1是一个平行板电容器。我们不妨假设极板B是固定的,极板A可以上下移动。这个电容器如果充了电,极板A会带有正电荷(+Q),极板B会带有负电荷(-Q)。这时,如果有人要想将极板A向上拉,使它和极板B的距离远一点,那么这个人就必须用力,以克服两个极板上的正负电荷的吸引力。或者说,人要把极板A拉开就必须“做功”。这些功的作用结果,使电容器所储存的能量增加。怎么知道电容器储存的能量增加了呢?我们知道,电容器两端的电压(V)和电容器的电容量(C)以及和电容器极板上所充的电荷(Q)存在着下面的关系,即Q=CV或V=QC。当我们把电容器的极板拉开以后,电容量C减小,由于电荷Q不变,所以电容器两端的电压V增大了。这就是说,电容器所储存的能量增加了。但是,如果不给电容器充电,即两个极板上都没有电荷,也就没有电荷的吸引力,因此不论将极板A拉开或推近,都不必做功。这时电容器既不损失能量,也不获得能量。
能量转换.png
利用这种能量转换的关系就可以做成放大器。例如在图2a中用一个极板可移动的电容器作振荡回路电容。假设输入信号电压(图2b)的频率fs和振荡回路调谐,在时刻t1时,回路两端的电压达到正的最大值。这时电容器上的电荷最多。如果在这一瞬间,突然把极板A向上拉开(图2c),那么根据上面的分析,电容器中的能量增加,信号电压的幅度也相应的增大,如图2d中的P1点所示。之后回路上的信号电压仍按正弦振荡的规律逐渐减小,在时刻t2,信号电压的数值等于零,电容器上没有电荷。显然,如果在这一瞬间把极板A迅速推回到原来的位置,电容器上的能量既不增加,也不减少,因此信号电压的幅度不发生任何变化。这时信号电压仍按正弦规律继续向负值变化。当它到达负的最大值时(时刻t3),如果再把极板A拉开,信号电压幅度又将增加(图2d中的P2点)。这样继续下去,外加力量不断做功,并把它变换为电振荡的能量,因而使信号电压增大。这就是利用电容器C的变化来放大信号的简单原理。电容是电路参量之一,这种利用电路参量的变化做成的放大器,就叫做参量放大器。
参量放大器的噪声为什么会小呢?为了说明这个问题,就需要将参量放大器和电子管放大器比较一下。我们知道,在电子管放大器中,电子管阴极发射电子的数量,在每一个短促的时间间隔内,都是不相等的,这就是阴极发射电流的起伏现象,即所谓“散弹效应”。阴极发射电流的起伏,引起屏极电流的起伏,这样,在屏极电路中就产生噪声电流,流过屏极负载就产生噪声电压。此外,在多栅极电子管中(如五极管和七极变频管等)由于各个带正电的电极,在每一瞬间吸收的电子也是不均匀的,因而使阴极发射的电子,在屏极和其他带正电电极上的分配有起伏变化,这也会引起屏流的起伏变化。这种屏流的起伏变化,虽然都很微小,但是当我们要放大极其微弱的电信号时,它们的影响就十分显著了。多量放大器由于不用电子管而主要是利用可变电抗作为储能元件进行放大,所以能够避免上述的电子管所产生的各种噪声,这就是参量放大器噪声低的原因。

变电容二极管
在上面所介绍的参量放大器中,主要的部件是可变电容器。显而易见,在实际应用中,这种可变电容器的电容变化,不可能用机械的方法来实现,电容器本身也不是一般的可变电容器。目前,参量放大器多半采用半导体二极管作为可控电容器。我们知道,n型半导体材料是靠电子来导电的,P型半导体材料是靠空穴来导电的。如果把这两种半导体材料结合,形成一个P-n结,由于扩散作用,电子将从n区穿过P-n结进入P区,使P区带负电荷。同样,空穴将由P区穿过P-n结进入n区,使n区带正电荷(图3a)。而且n区的正电荷将把空穴从交界面推向P区,而P区的负电荷将把电子从交界面推向n区。因此,靠近交界面的地区,电子和空穴都很少,这一区域的电阻变得很大,于是形成了所谓“阻挡层”。这个阻挡层实际上可以说是不导电的区域(或叫介电区)。由于这个区域的两边分别与n型和P型半导体材料相接,而这些半导体材料又都是导电的。所以P-n结形成了一个电容器。在这个电容器中,阻挡层起着介质的作用,与阻挡层相接的n型和P型半导体材料,起着电容器极板的作用。这种电容器的电容量由阻挡层的厚度决定。当外加一个负电压时(P区接电源负极、n区接电源正极),阻挡层的厚度将加宽,P-n结形成的电容减小,所以外加一个负电压就相当于把电容器的两个极板拉远。如果外加负电压的绝对值减小,那么阻挡层就变薄,这时P-n结所形成的电容就相应地增大,如图3b所示。图4画出了这种半导体二极管的电容C与外加电压E的关系曲线。利用这种特性,只要改变加在二极管上的电压,就可以得到我们所需的电容的变化。因为这种半导体二极管的用途和一般的检波或整流二极管不同,主要是利用它的变电容的特性,所以通常把它叫做变电容二极管。

半导体二极管电容与外加电压关系曲线

半导体二极管电容与外加电压关系曲线

变电容参量放大器通常应用于超短波波段,所以要求它的静点电容C0(只加一个固定负电压时的电容)小;而在一定的电压范围内,电容的变化则要求尽量大。此外,这种器件也有一定的损耗。在实际应用中,要求二极管的损耗要小,即品质因数Q要大。

泵浦电源
前面我们讲过,要使电容器上的电能增加,必须有一个外加的力量使它的电容量不断交替地变化,而电容器得到的能量就是由这个外加力源供给的。当采用变容二极管作为变参量器件时,我们必须有一个交替变化的电压,才能使电容器产生所需要的变化。由此可见,参量放大器的电源供给必须是一个交流电源。由于它的作用和抽水机(水泵)的一拉一压的动作有点相似,所以习惯上就把它叫做泵浦电源。
在实际应用中,泵浦电源都是正弦交变电源,而不是象图2c那样的跃变式的脉冲电压。由图2还可以知道,当信号电压变化一周时,泵浦电压需要改变两次,也就是说,泵浦频率fp等于信号频率fs的两倍。实际上,要使fp严格地等于fs的两倍是有困难的,而且这样做成的放大器,性能也不一定最好。理论和实验的结果都表明,泵浦电源可以具有任意的频率,只要变参量元件和线路的设计正确,使由泵浦电源转换成信号的功率大于原来的信号功率,这种装置就具有放大作用。而且泵浦频率愈高,放大器的内部噪声愈小。因此实际上很多变电容参量放大器的泵浦频率往往比信号频率高好几倍。例如当信号频率为1000兆赫时,泵浦频率可以是10,000兆赫或更高些。当然,泵浦频率也不是越高越好,它还受到变电容二极管的限制,而且频率太高时,要制造能够产生一定功率的合适的振荡器是比较困难的。

空闲电路

空闲电路

上面讲过,在参量放大器中除了有信号频率fs之外,还作用着一个泵浦频率fp。大家知道,频率不同的两个电压作用在非线性电路上时,就要产生混频作用。因此在参量放大器中,除了有fs和fp两个频率的分量之外,还必定有组合频率,如(fp-fs)或(fp+fs)等分量存在。看重指出这一点是很重要的。因为理论和实验结果都表明,如果把这些组台频率分量完全去掉,线路就会丧失放大作用。因此参量放大器线路除了有信号电路和泵浦电路之外,还应该有一个调谐到某一个组合频率fi(例如fp+fs或fp+fs)的电路,如图5所示。乍看起来,这个电路好象是空闲的(有人把它叫做空闲电路,把它的频率fi叫做空闲频率)。但实际上这个电路并不空闲。上面说过,没有它就做不成参量放大器,而且由于空闲频率的不同,放大器的性能和型式也不一样。例如,空闲频率fi等于泵浦频率fp和信号频率fs之差时(即fi=fp-fs),我们把这种形式的放大器叫负阻式参量放大器。这种放大器,可以将信号电路的端点aa作为输出端,把信号从这里输出。这时输出信号频率就和输入信号频率相同。也可以把空闲电路中的端点bb作为输出端,这时虽然输出信号的频率fi不等于输入信号频率fs,但这只是载频发生了变化,它所携带的消息并没有改变,这个道理和超外差式收音机里的变频作用是一样的。
当空闲频率fi等于信号频率fs与泵浦频率fp之和(fi=fp+fs)时,我们把这种形式的放大器叫变频式上边带参量放大器。这种放大器只能以空闲回路的瑞点bb作为输出端。这些问题比较复杂,这里就不介绍了。上面谈的是变电容的参量放大器。也可以用变电感元件或者特殊的电子束管来作参量放大器,它们各有特点。限于篇幅;这里也不再介绍。
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