Общая характеристика малошумящих усилителей

При приёме и измерениях слабых СВЧ сигналов необходимы усилители с низким коэффициентом шума или малошумящие усилители (МШУ). В настоящее время не существует точного разграничения усилителей на малошумящие и обычные. Ориентировочно, малошумящими считаются усилители, коэффициент шума которых не превышает 3 дБ, что соответствует температура шума, равной 300 К, т. е. температуре окружающей среды. Более точно, малошумящим называ- ют усилитель, коэффициент шума которого ненамного превосходит значения ко- эффициента шума наилучших (с точки зрения шумовых параметров) серийно вы- 10 пускаемых усилителей того же частотного диапазона. Эти значения увеличивают- ся с ростом частоты и относительной ширины диапазона рабочих частот. По уровню техники 2000 г. для усилителей с шириной диапазона рабочих частот 10 – 20 % лучшие результаты по коэффициенту шума составляют от 0,3 дБ на частотах порядка 1 ГГц до 4-5 дБ − на 40 ГГц. Следует заметить, что лучшие экспериментальные макеты усилителей, созданные в лабораторных условиях, имеют значительно меньший коэффициент шума − 2 дБ в диапазоне 43-46 ГГц и 4.4 дБ − в диапазоне 92-96 ГГц[8]. Транзисторные усилители отличаются высокой чувствительностью, низким энергопотреблением, малыми габаритными размерами и массой, большой надеж- ностью и устойчивостью к механическим воздействиям, сравнительно невысокой стоимостью. Активные элементы усилителей − биполярные (БТ) или полевые транзисторы с затвором на барьере Шоттки (ПТШ) − удобно сопрягаются с по- лосковыми линиями передачи, резонансными устройствами и элементами инте- гральных микросхем. Малошумящие усилители СВЧ, в основном, строятся на ПТШ, которые имеют меньший коэффициент шума, чем БT. Важнейшим параметром малошумящего усилителя является коэффициент шума (или относительная температура шума устройства). Вместе с тем, коэффи- циент усиления малошумящего усилителя должен быть достаточным из-за влия- ния последующих каскадов и оконечного устройства, в отличие от усилителя мощности, предназначенного для работы с сигналами, уровень которых значи- тельно превышающими уровень шума. Малошумящие усилители с широким ди- намическим диапазоном должны сочетать в себе требования по шумам и линей- ности в большом диапазоне изменения сигнала В основе изготовления СВЧ усилителей на ПТШ лежит, как правило, гиб- ридно-пленочная технология. Усилители, изготовленные по этой технологии, со- держат элементы на изолирующих подложках, выполненные методом вакуумного напыления с последующей фотолитографией и навесные дискретные активные и пассивные элементы, монтаж которых производится с помощью пайки и специ- альных видов сварки − контактной, термокомпрессионной и ультразвуковой. Мо- нолитные усилители выполяются на основе единого кристалла с различной степе- нью легирования. Они обладают рядом несомненных достоинств по сравнению с гибридно-пленочными – малые массогабаритные параметры, низкая стоимость при крупносерийном производстве, высокая повторяемость параметров. Тем не менее, далеко не везде и всегда преимущества этих усилителей компенсируют их недостатки. Усилители на основе объемных линий передач также имеют свои преимущества (малые потери) и свои недостатки (сложность конструкции).

Основные характеристики регенеративных резонансных усилителей

Регенеративный радиоприёмник (регенератор) — радиоприёмник с положительной обратной связью в одном из каскадов усиления радиочастоты. Обычно прямого усиления, но известны и супергетеродины с регенерацией как в УРЧ, так и в УПЧ.

Отличается от приёмников прямого усиления более высокой чувствительностью (ограничена шумами) и избирательностью (ограничена устойчивостью параметров), пониженной устойчивостью работы.

Достоинства:

· Высокие чувствительность и избирательность по сравнению с приёмниками прямого усиления и простыми супергетеродинами.

· Простота и дешевизна

· Низкое потребление энергии

· Отсутствие побочных каналов приёма и самопоражённых частот

Недостатки:

· Излучение помех при работе в режиме генерации (и, как следствие, отсутствие скрытности)

· Высокая чувствительность и избирательность достигаются ценой стабильности

· Требует от оператора знания принципа работы

Теоретические основы

Эффективность регенеративного радиоприёмника основана на увеличении добротности колебательного контура, осуществляющего основную частотную селекцию и настроенного на несущую частоту в спектре АМ сигнала. Относительное повышение уровня несущей вызывает эффект подавления слабых сигналов, расстроенных по частоте^[2] (аналогично синхронному детектированию), что улучшает реальную избирательность.

Добротность ( ) колебательного контура повышается путём компенсации части потерь за счёт энергии усилителя, то есть введения положительной обратной связи.

Добротность = резонансное сопротивление / сопротивление потерь, то есть

Положительная обратная связь, компенсируя часть потерь, вносит некоторое отрицательное сопротивление:

Коэффициент регенерации:

Отсюда видно, что при увеличении обратной связи коэффициент регенерации и добротность могут стремиться к бесконечности, но их практический рост ограничен стабильностью параметров схемы — если изменение коэффициента усиления будет больше , то регенератор либо сорвётся в генерацию (если усиление выросло), либо потеряет половину чувствительности и избирательности (если усиление упало).

Для улучшения стабильности и достижения плавности управления вблизи порога генерации, регенератор должен иметь отрицательную обратную связь по уровню сигнала или АРУ. В приведённой схеме такая ООС обеспечивается цепью R1C2 (гридлик, от англ. grid leak — утечка сетки) — сигнал детектируется диодом состоящим из сетки и катода лампы, и выделяется на резисторе R1. Переменная составляющая усиливается и звучит в наушниках, а постоянная подзапирает лампу и снижает её усиление.

Без такой АРУ управление обратной связью будет очень «острым», и если регенератор сорвётся в генерацию, то размах колебаний будет ограничен только источником питания, а остановить его можно будет только намного уменьшив обратную связь (явление гистерезиса). Такой усилитель не годится для использования как регенератор.