《参量放大器》课件.ppt

封面 参量放大器 西藏 阿里 荒漠 返回 引言 本页完 引言 参量放大器的突出优点是噪声系数很低 它没有器件所引起的散粒噪声和分配噪声 只有回路电阻所引起的噪声 因此在常温工作时 噪声系数约为2 3dB 参量放大器的应用范围很广 目前在分米波波段直至3cm的波段范围内 频率约1GHz到10GHz 均采用 由于它具有噪声系数小的优点 它一方而向更高频率的应用方向发展 另一方面 频率低于30MHz的波段 也已开始应用 返回 参量放大器的功率增益约为20dB 其功率增益在很大程度上与泵源有关 要求泵源的输出功率与频率都很稳定 学习要点 本节学习要点和要求 参量放大器 了解变容二极管的非线性特性 理解参量放大的物理过程及放大必备条件 掌握分析非线性电抗元件中能量关系的方法 返回 主页 参量放大器主页 使用说明 要学习哪部分内容 只需把鼠标移到相应的目录上单击鼠标左键即可 按空格键或鼠标左键进入下一页 结束 变容二极管的非线性特性 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大的物理过程 西藏 阿里 荒漠中的村庄 返回 一 变容二极管的非线性特性特性曲线 一 变容二极管的非线性特性 参量放大器 VD PN结的势垒电压 很小 变容二极管结电容Cj与反向偏置电压 vR 的关系 二极管有极间电容 极间电容的大小随外加电压的变化而变化 利用这个特性专门制造出利用极间电容的二极管 变容二极管使用时是反向连接的 反向电压越大 二极管的电容量越小 继续 本页完 Cj Cj0 不同 值的变容二极管Cj f vR 曲线 Cj0 vR 0时的结电容 最大 系数 与掺杂浓度和PN结构造有关 不同的 系数 二极管的极间电容与反向电压的关系是不同的 1 3 1 2 1 5 在实际应用中 有 vR VD 所以下式可改写 讨论变容二极管非线性特性作用 一 变容二极管的非线性特性 参量放大器 VD PN结的势垒电压 很小 变容二极管所呈现的非线性电容特性 在本质上反映了电压与其感应电荷的非线性关系 正是这种关系 才使得放大 倍频 混频等功能得以实现 继续 本页完 Cj k vR f vR 不同 值的变容二极管Cj f vR 曲线 Cj0 vR 0时的结电容 最大 变容二极管结电容Cj与反向偏置电压 vR 的关系 1 3 1 2 1 5 系数 与掺杂浓度和PN结构造有关 在实际应用中 有 vR VD 所以下式可改写 变容二极管的非线性特性特性曲线结束页 一 变容二极管的非线性特性 参量放大器 VD PN结的势垒电压 很小 变容二极管所呈现的非线性电容特性 在本质上反映了电压与其感应电荷的非线性关系 正是这种关系 才使得放大 倍频 混频等功能得以实现 继续 本页完 Cj k vR f vR 不同 值的变容二极管Cj f vR 曲线 Cj0 vR 0时的结电容 最大 变容二极管结电容Cj与反向偏置电压 vR 的关系 返回 继续 1 3 1 2 1 5 系数 与掺杂浓度和PN结构造有关 二 参量放大的物理过程 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 本页完 1 电容器电容参量变化的储能物理过程分析 Cmax Cmin 需放大的信号源 参量激励串联回路 极板距可变电容器 即容量可变电容器 变容二极管的模型 变容二极管能使高频信号得到放大 其原理为变容二极管的容量能产生非线性变化 但其变化须符合特定的规律 本内容即讨论这个规律 1 电容器电容参量变化的储能物理过程分析 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 本页完 q CvC 这时电容器储存的能量W为 1 电容器电容参量变化的储能物理过程分析 需放大的信号源 q d 参量激励串联回路 电容充电后极板带一定电荷 vC q C 平板电容器的电容量C为 或 以下推导电容器电容变化时储能特点及电容器上电压变化的物理过程 首先推导出电容器上能量 电压与板间距离的关系 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 1 电容器电容参量变化的储能物理过程分析 需放大的信号源 q d 参量激励串联回路 突然拉开两块极板 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 本页完 1 电容器电容参量变化的储能物理过程分析 需放大的信号源 q d 参量激励串联回路 如果突然把两块极板拉至最大为d d 这时电容量突然减少 但因为电荷q不能突变 所以电容器上的能量就要增加 突然把极板拉开至最大 电容器增加的储能 W为 W以电压增量 vC形式体现 能量增加的原因是因为两块极板上为异种电荷 存在电场吸引力 要把两块极板拉开 外力必须作功 克服电场吸引力 外力作的功转变为电容器所增加的储能量 W 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 1 电容器电容参量变化的储能物理过程分析 需放大的信号源 q d 参量激励串联回路 突然靠近两块极板 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 本页完 1 电容器电容参量变化的储能物理过程分析 需放大的信号源 q d 参量激励串联回路 若突然把极板靠近 反之 若突然把两块极板靠近 则电容器的储能减少 电容器两端的电压会降低 规律仍遵循上两式 结论 两块极板拉开时 电容器储能增加 两块极板靠近时 电容器储能减少 结论 两块极板拉开时 电容器储能增加 两块极板靠近时 电容器储能减少 1 分析谐振时电容器的储能放大作用 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 本页完 2 利用参变电容器放大能量的分析 参量激励串联回路 1 分析谐振时电容器的储能放大作用 因为vs是正弦信号 谐振时 电容器上的电量q的变化与vs相同 当电容器的电量q最大瞬间 电容极板突然拉至最开 电容C突然变小 电容器储能最多 当电容器上电荷最多的瞬间突然把电容器的两块极板拉至最开 电容突然变至最小 则外力克服电场力作功而供给电容器的能量最多 Cmin q q 分析高频信号放大机理 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 本页完 2 利用参变电容器放大能量的分析 参量激励串联回路 当电容器的电量q为0瞬间 电容极板突然靠至最近 电容C突然变至最大 但此时电容器上的电量q为0 所以没有能量放出 全部存储在L上 当电容器上电荷最多的瞬间突然把电容器的两块极板拉至最开 电容突然变至最小 则外力克服电场力作功而供给电容器的能量最多 Cmin Cmax 1 分析谐振时电容器的储能放大作用 当电容器的电量q为0瞬间 电容极板突然靠至最近 电容C突然变至最大 但此时电容器上的电量q为0 所以没有能量放出 全部存储在L上 分析高频信号放大机理 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 本页完 2 利用参变电容器放大能量的分析 参量激励串联回路 Cmin Cmax 当电容器的电量q为0瞬间 电容极板突然靠至最近 电容C突然变至最大 但此时电容器上的电量q为0 所以没有能量放出 全部存储在L上 当电容器上电荷最多的瞬间突然把电容器的两块极板拉至最开 电容突然变至最小 则外力克服电场力作功而供给电容器的能量最多 不断如此循环 电容器在电荷最多时吸取能量 但不消耗能量 一次次的积累 令输出电压vC一次次增大 使高频信号得到了放大 1 分析谐振时电容器的储能放大作用 当电容器上电荷再次最多的瞬间 突然把电容器两块极板拉至最开 电容再次突然变至最小 外力再次克服电场力作功而供给电容器的能量最多 叠加上次的能量 令电容器上储能比上一次增多 结论 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 本页完 2 利用参变电容器放大能量的分析 参量激励串联回路 Cmin Cmax 结论 当电容器上的极板按C t 周期不断拉和推时 外力不断克服电场力做功供给电容器能量 且这个过程中 一个正弦波周期内对谐振回路提供两次能量储备 就使得高频信号的能量一次次得到了放大 1 分析谐振时电容器的储能放大作用 在这个过程中 一个周期内电容器储能的增加必须大于回路电阻的能量损耗 放大稳定过程分析 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 本页完 2 利用参变电容器放大能量的分析 参量激励串联回路 Cmin Cmax 放大的稳定过程 电容器的储能是不能无限增加的 最后将趋于稳定值 这是因为电容器储能增加 则极板间电场吸引力也增大 而外力是有限的 这就使储能增量愈来愈小 同时 随着电容器储能的增加 回路电阻R所消耗的能量也加大 最终达到平衡状态 电容器储能等于稳定值 1 分析谐振时电容器的储能放大作用 2 实现参量放大必须具备的两个条件 有一个随时间作周期性变化的电容 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 本页完 2 利用参变电容器放大能量的分析 2 实现参量放大必须具备的两个条件 1 分析谐振时电容器的储能放大作用 有一个随时间作周期性变化的电容 泵源 频率fp是信号频率fs的两倍 且相位要合适 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 本页完 2 利用参变电容器放大能量的分析 参量激励串联回路 2 实现参量放大必须具备的两个条件 1 分析谐振时电容器的储能放大作用 有一个随时间作周期性变化的电容 泵源 频率fp是信号频率fs的两倍 且相位要合适 Cmin Cmax 事实上 因为是 泵源 改变变容二极管结电容的 由图像可知 泵源 的频率是信号频率的两倍 参量放大的物理过程结束 二 参量放大的物理过程 参量放大器 继续 本页完 2 利用参变电容器放大能量的分析 参量激励串联回路 2 实现参量放大必须具备的两个条件 1 分析谐振时电容器的储能放大作用 有一个随时间作周期性变化的电容 泵源 频率fp是信号频率fs的两倍 且相位要合适 Cmin Cmax 返回 继续 三 非线性电抗元件中的能量关系 1 门 罗关系式 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量激励串联回路 1 门雷 罗威关系式 将频率为fs的信号源和频率为fp的 泵源 同时加到非线性电容上 则通过非线性电容的电流除了会产生频率为基波的频率fs和fp外 还会产生它们的各次谐波成份mfs和nfp 同时还产生这些波的差频 和频成份 本部分内容主要研究如何接入 泵源 及判别各部分电路是消耗还是吸取能量的方法 fm n mfs nfp 这些频率的信号的能量在非线性电容上 有的是外电路供给非线性电容的 有的是非线性电容供给外电路的 但由能量守恒可知 其总量为0 其关系遵循门雷 罗威关系式 介绍门罗公式中功率的物理意义 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量激励串联回路 1 门雷 罗威关系式 fm n mfs nfp Pm n 非线性电容上某一频率fm n的信号功率 Pm n 0 表示由外电路供给非线性电容功率 Pm n 0 表示从非线性电容输出给外电路功率 将频率为fs的信号源和频率为fp的 泵源 同时加到非线性电容上 则通过非线性电容的电流除了会产生频率为基波的频率fs和fp外 还会产生它们的各次谐波成份mfs和nfp 同时还产生这些波的差频 和频成份 分析实际电路中元件的作用 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量放大器实际电路 1 门雷 罗威关系式 Pm n 非线性电容上某一频率fm n的信号功率 Pm n 0 表示由外电路供给非线性电容功率 Pm n 0 表示从非线性电容输出给外电路功率 为了令电路实现对高频信号放大 实际电路中设置 泵源 电路控制变容二极管DC的容量 这样就可以在变容二极管两端取出放大了的信号电压vC 电路元件作用分析 泵源 提供频率为fp的突变电压令变容二极管的容量产生突变 使其有放大作用 L0 C0是电源的高频扼流圈和滤波电容 分析时可不予考虑 信号源提供频率为fs的信号电压至变容二极管 被变容二极管放大 空闲回路的引入 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量放大器实际电路 1 门雷 罗威关系式 Pm n 非线性电容上某一频率fm n的信号功率 Pm n 0 表示由外电路供给非线性电容功率 Pm n 0 表示从非线性电容输出给外电路功率 在实际应用中 电路往往需要的频率为fs fp以及fi fp fs三组频率 为了能取出fi fp fs 必须在电路中加入一谐振于此频率的LC串联谐振回路 称为空闲回路 空闲回路 空闲回路的作用 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量放大器实际电路 1 门雷 罗威关系式 Pm n 非线性电容上某一频率fm n的信号功率 Pm n 0 表示由外电路供给非线性电容功率 Pm n 0 表示从非线性电容输出给外电路功率 利用fi fp fs的空闲回路不仅可取出fp fs的和频信号或fp fs的差频信号 还可起到放大和变频的作用 空闲回路 2 利用门罗公式分析能量关系 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量放大器实际电路 Pm n 非线性电容上某一频率fm n的信号功率 Pm n 0 表示由外电路供给非线性电容功率 Pm n 0 表示从非线性电容输出给外电路功率 设空闲回路谐振于fi fp fs 则电路中有fp fs和fi三组频率 对照门 雷关系式有 对于fs有m 1 n 0 空闲回路 门 罗公式的应用 把电路中每个频率都代入公式中计算一次 然后再把各频率计算结果相加 2 利用门 罗公式分析能量关系 在门 罗公式的分母中 要求mfs nfp fs 应有m 1 n 0 首先利用门 罗公式求fs的系数 2 利用门罗公式分析能量关系 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量放大器实际电路 2 利用门 罗公式分析能量关系 Pm n 非线性电容上某一频率fm n的信号功率 Pm n 0 表示由外电路供给非线性电容功率 Pm n 0 表示从非线性电容输出给外电路功率 设空闲回路谐振于fi fp fs 则电路中有fp fs和fi三组频率 对照门 雷关系式有 对于fs有m 1 n 0 对于fp有m 0 n 1 空闲回路 再利用门 罗公式求fp的系数 在门 罗公式的分母中 要求mfs nfp fp 应有m 0 n 1 2 利用门罗公式分析能量关系 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量放大器实际电路 2 利用门 罗公式分析能量关系 Pm n 非线性电容上某一频率fm n的信号功率 Pm n 0 表示由外电路供给非线性电容功率 Pm n 0 表示从非线性电容输出给外电路功率 设空闲回路谐振于fi fp fs 则电路中有fp fs和fi三组频率 对照门 雷关系式有 对于fs有m 1 n 0 对于fi fp fs有m 1 n 1 对于fp有m 0 n 1 空闲回路 最后求fi中各频率的系数 在门 罗公式的分母中 要求mfs nfp fs fp 应有m 1 n 1 2 利用门罗公式分析能量关系 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量放大器实际电路 2 利用门 罗公式分析能量关系 Pm n 非线性电容上某一频率fm n的信号功率 Pm n 0 表示由外电路供给非线性电容功率 Pm n 0 表示从非线性电容输出给外电路功率 设空闲回路谐振于fi fp fs 则电路中有fp fs和fi三组频率 对照门 雷关系式有 对于fs有m 1 n 0 对于fi fp fs有m 1 n 1 对于fp有m 0 n 1 空闲回路 把三个频率的m n值代入两式解得 设空闲回路谐振于fi fp fs 则电路中有fp fs和fi三组频率 对照门 雷关系式有 差频空闲回路中的门罗式 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量放大器实际电路 P1 0 m 1 n 0 非线性电容上信号源fs的功率 对于fi fp fs有m 1 n 1 对于fp有m 0 n 1 对于fs有m 1 n 0 P0 1 m 0 n 1 表示非线性电容上 泵源 fP的功率 P 1 1 m 1 n 1 非线性电容上的差频fi功率 空闲回路 2 利用门 罗公式分析能量关系 P0 1 0的意义 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量放大器实际电路 P1 0 m 1 n 0 非线性电容上信号源fs的功率 P0 1 0 变容二极管吸收 泵源 fp 能量 P0 1 m 0 n 1 表示非线性电容上 泵源 fP的功率 P 1 1 m 1 n 1 非线性电容上的差频fi功率 空闲回路 2 利用门 罗公式分析能量关系 P 1 1 0的意义 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量放大器实际电路 P1 0 m 1 n 0 非线性电容上信号源fs的功率 P0 1 m 0 n 1 表示非线性电容上 泵源 fP的功率 P 1 1 m 1 n 1 非线性电容上的差频fi功率 P 1 1 0 变容二极管向差频 fi 谐振 空闲 回路提供能量 空闲回路 P0 1 0 变容二极管吸收 泵源 fp 能量 2 利用门 罗公式分析能量关系 P1 0 0的意义 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量放大器实际电路 P1 0 m 1 n 0 非线性电容上信号源fs的功率 P0 1 m 0 n 1 表示非线性电容上 泵源 fP的功率 P 1 1 m 1 n 1 非线性电容上的差频fi功率 空闲回路 P1 0 0 变容二极管向输入信号源 fs 提供能量 P0 1 0 变容二极管吸收 泵源 fp 能量 P 1 1 0 变容二极管向差频 fi 谐振 空闲 回路提供能量 2 利用门 罗公式分析能量关系 解释本电路工作 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量放大器实际电路 P1 0 m 1 n 0 非线性电容上信号源fs的功率 P0 1 m 0 n 1 表示非线性电容上 泵源 fP的功率 P 1 1 m 1 n 1 非线性电容上的差频fi功率 空闲回路 P1 0 0 变容二极管向输入信号源 fs 提供能量 P0 1 0 变容二极管吸收 泵源 fp 能量 P 1 1 0 变容二极管向差频 fi 谐振 空闲 回路提供能量 2 利用门 罗公式分析能量关系 本电路中的变容二极管吸取了泵源的能量 向差频谐振回路fi fp fs 和输入信号源 fs 提供能量 由于向输入信号源输出能量 电路存在着自激的危险 3 非线性电抗元件中能量关系总结 三 非线性电抗元件中的能量关系 参量放大器 继续 本页完 参量放大器实际电路 首先分析输入信号 fs 的m值和 泵源 信号 fp 的n值 空闲回路 具有空闲回路的参量放大器称为非简并式参量放大器 若泵频正好等于信号频率的两倍 fp 2fs 此时有fi fp fs 2fs fs fs 这与输入信号回路的频率一样 此时输入回路兼起空闲回路的作用 则称为简并式参量放大器 3 非线性电抗元件能量关系分析总结 把m n值代入门 罗公式 求出各频率在变容二极管上相应功率的