《参量放大器》PPT课件

封面,8.2参量放大器,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23dB。,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,VDPN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,Cj0vR=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,VDPN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,Cj0vR=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,VDPN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,Cj0vR=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,n0表示由外电路供给非线性电容功率。,Pm,n0表示由外电路供给非线性电容功率。,Pm,n0表示由外电路供给非线性电容功率。,Pm,n0表示由外电路供给非线性电容功率。,Pm,n0表示由外电路供给非线性电容功率。,Pm,n0表示由外电路供给非线性电容功率。,Pm,n0表示由外电路供给非线性电容功率。,Pm,n0表示由外电路供给非线性电容功率。,Pm,n0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。,P0,10，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-1,10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-1,10，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,P1,00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,P1,00，变容二极管吸收“泵源”(fp)能量；,P-1,10，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,P1,00，变容二极管吸收“泵源”(fp)能量；,P-1,10，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正、负值；,分析Pm,n的正、负可得出变容二极管对各频率回路是吸取功率还是提供功率。,三、非线性电抗元件中的能量关系结束页,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