参量放大器

  Aaron ·  2010-08-05 20:12  ·  41693 次点击
利用时变电抗参量实现低噪声放大的放大电路。例如,在变容二极管的两端外加一个周期交变电压时,其电容参量将随时间作周期变化。若把这一时变电容接入信号回路中,且当电容量变化和信号电压变化满足适当关系时,就能使信号得到放大。外加的交变电压源称为泵浦源。利用铁芯非线性电感线圈和电子束的非线性等也能构成参量放大器。
参量放大的原理在30年代就已出现,但直到50年代后期,可在微波频段工作的半导体变容二极管问世以后才得到发展。这是因为变容二极管具有很高的Q值,适于制作噪声电平极低的微波放大器。变容管参量放大器主要用来放大频率约为1~50吉赫之间的微弱信号。在这个频率范围内,它的噪声特性略差于量子放大器,但结构简单,维护也很方便。实用参放的噪声很低,例如,在4吉赫频段,它的等效输入噪声温度在室温下可低至50K以下。工作温度降至20K时,其噪声温度可低至10K。
图中是一种参量放大器的原理电路。它由信号频率回路、泵浦频率回路和空闲频率回路(简称信频回路、泵频回路和闲频回路)三部分组成。信频回路调谐于输入信号频率fs,放大后的信号也由此回路输出。泵频回路用以使泵浦电压耦合到变容管,使其电容量随泵频fP作周期变化。闲频回路允许存在第三个频率、即空闲频率fi的电流,以保证有合适的电容变化相位而获得放大功能。这种放大器的原理是:当信号使变容管引起较大的瞬时电荷时,加在变容管两端的泵频电压和闲频电压正好使电容值变小,从而提高电容上的信号电压分量;而当信号电压引起的瞬时电荷小时,则电容值变得较大。在这一过程中,就一个周期平均而言,是使泵源能量转变为信号能量,使微波信号得到放大。从电路角度来看,相当于信频回路呈现一等效的负电导,而使信号电流增大,或使输入信号得到放大。当信号频率、泵浦频率和空闲频率三者成fP=fs+fi的关系时,就能满足所要求的相位关系。
变容管参量放大器按工作方式区分,有负阻式放大器和上变频式放大器两大类。前者可分为信号频率和空闲频率大致相等的简并式放大器(这时信频回路可兼作闲频回路)和不相等的非简并式放大器。简并式放大器可用于射电天文接收机等双带运用的场合,这时信号频率和空闲频率的能量都被作为输出“信号”而加以利用。非简并式参量放大器作单带运用(通常只用信号频率)时,噪声较低,设计灵活,使用较广。
上变频式参量放大器实际上是一个有增益的参量变频器(见混频器)。它的等效电路类似于负电导参放的等效电路,但其中的闲频回路被调谐于f0=fs+fP,并作为输出信号回路。其理论上的最大增益为f0/fs。这种参放的特点是输入、输出回路有较好的隔离,增益稳定,但增益较低,应用不广。
变容管参量放大器的内部噪声主要来自变容管寄生电阻的热噪声。使变容管(或整个参放)在温度很低(77K或更低)的环境下工作,可以大大降低噪声,这种参量放大器也称为致冷式参量放大器,简称冷参。由于变容管质量已大为提高,工作在常温或用小型半导体致冷器使之冷却到-40℃的参放,也可以获得良好的噪声性能。这种参量放大器简称为“常参”,与冷参相比,它具有结构简单、可靠性高、造价低、维修方便等优点。
参考书目
P.Penfield,Jr.andR.Rafuse,VaractorApplications,MITPress,Boston,1962.

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