DE1112139B

DE1112139B - Parametrischer Verstaerker

Info

Publication number: DE1112139B
Application number: DET18791A
Authority: DE
Inventors: Horst Ohnsorge
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1960-08-05
Filing date: 1960-08-05
Publication date: 1961-08-03
Also published as: US3172048A; GB999674A

Description

Parametrische Verstärker, auch Reaktanzverstärker genannt, beruhen auf dem Prinzip, eine nichtlineare Reaktanz periodisch zu verändern. Diese Änderung wird durch Anlegen einer periodisch variablen Spannung oder eines periodisch variablen Stromes bewirkt, der an die nichtlineare Reaktanz, z. B. eine Kapazität oder eine Induktivität, angelegt wird. Eine nichtlineare Kapazität läßt sich beispielsweise durch eine vorgespannte Halbleiterdiode, eine nichtlineare Induktivität bei Mikrowellen durch ein Ferrit verwirklichen. Das Prinzipschaltbild eines bekannten parametrischen Verstärkers ist in Fig. 1 dargestellt. Das Eingangssignal von der Frequenz f_s wird von einer Signalquelle SQ einem Signalkreis SK mit der Eigenfrequenz/_oS zugeführt. Als nichtlineare Reaktanz ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Halbleiterdiode D vorgesehen.

Zur Durchsteuerung der nichtlinearen Reaktanz wird von einer Pumpspannungsquelle PQ über einen Pumpkreis FAT, der auf f_oP abgestimmt ist, die sogenannte Pumpfrequenz f_P zugeführt. Zwischen die nichtlineare Reaktanz!) und den Pumpkreis ist ein sogenannter Hilfskreis HK eingeschaltet, der auf eine Frequenz f_oH abgestimmt ist. Der parametrische Verstärker, der sich durch einen geringen Rauschfaktor auszeichnet, kann auf verschiedene Weise betrieben werden. Eine erste Betriebsmöglichkeit ist die als Geradeausverstärker, bei welchem das zu verstärkende Signal und das verstärkte Signal dieselbe Frequenz haben. In diesem Fall wird das Ausgangssignal vom Signalkreis SK abgenommen. Die Durchlaßfrequenzen für die frequenzbestimmenden Kreise SK, PK und HK sind derart gewählt, daß für diese Frequenzen folgende Beziehung gilt:

j _^ _j

Der parametrische Verstärker kann darüber hinaus auch als Mischverstärker benutzt werden. In diesem Fall haben das zu verstärkende und das abgenommene verstärkte Signal verschiedene Frequenzen. In der Anordnung gemäß Fig. 1 wird hierbei das Ausgangssignal mit der Frequenz f_H vom Hilfskreis HK abgenommen. Für die Frequenzen der verschiedenen Kreise gilt wieder die im Zusammenhang mit dem Geradeausverstärker erwähnte Beziehung.

Die Spannungsverstärkung eines parametrischen Verstärkers beträgt bei den obenerwähnten Frequenzbeziehungen

Parametrischer Verstärker

Anmelder:

Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3

Horst Ohnsorge, Uhu/Donau,
ist als Erfinder genannt worden

wobei α die Entdämpfungskonstante, —q=Q._HIQ_s und Q₃, Ω_Η die normierte Verstimmung des Signalbzw. Hilfskreises ist.

Ist die dem Signalkreis zugeführte Frequenz/_s gleich der Eingangsfrequenz f_üH des Signalkreises, so gilt in bekannter Weise für die Verstärkung

'max ■—■

l—a

Die Verstärkungs- oder Entdämpfungskonstante α wird in ihrer Größe von der Charakteristik der Nichtlinearität und der zugeführten Pumpenergie bestimmt. Sie kann aber praktisch einen Grenzwert nicht überschreiten. An Stelle der Kreise HK, SK und PK in Fig. 1 können natürlich auch selektive Netzwerke (Zwei- bzw. Vierpole) mit Bandpaßcharakteristik entsprechend Fig. 2 benutzt werden. Die ohmschen Widerstände dienen zur Anpassung der Netzwerke. Da α begrenzt ist und andererseits für a = l der Verstärker instabil wird, wurden bereits Kaskadenschaltungen zur Erhöhung der Verstärkung bei parametrischen Verstärkern angegeben. Bei diesen bekannten Kaskadenschaltungen werden vollständige Verstärkerstufen mit Hilfs-, Signal- und Pumpnetzwerken entsprechend Fig. 1 und 2 hintereinandergeschaltet, so daß man resultierend einen multiplikativen Verstärkungszuwachs erhält.

Zweck der Erfindung ist es, einen parametrischen Verstärker mit beliebig hoher Entdämpfungskonstante zur Erhöhung der Verstärkung bzw. zur Erreichung von Schwingeinsatz anzugeben.

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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann mit dieser neuen Verstärkerschaltung ein erheblicher Bandbreitengewinn gegenüber den Verstärkern nach Fig. 1 und 2 erzielt werden.

Die Erfindung betrifft einen parametrischen Verstärker, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Erhöhung der Verstärkung dem Signalkreis mehrere je eine nichtlineare Reaktanz und je einen Hilfskreis enthaltende Zweige parallel geschaltet sind und daß Mittel vorgesehen sind, um die Pumpfrequenz entweder dem durch den Signalkreis gebildeten Zweig oder allen parallel zum Signalkreis liegenden Zweigen zuzuführen.

Nachstehend soll die Erfindung an Hand der Fig. 3 bis 8 näher erläutert werden.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind wieder eine Signalquelle SO₁ und ein Signalkreis SK₁ vorgesehen, an den wie beim bekannten parametrischen Verstärker gemäß Fig. 1 eine nichtlineare Reaktanz, hier beispielsweise eine Halbleiterdiode D₁, einHilfskreis HK₁ und ein Pumpkreis PK₁, angeschaltet ist. Erfindungsgemäß sind aber parallel zum Signalkreis mehrere derartige Zweige vorgesehen, von denen allerdings nur einer, nämlich der mit dem Index 2, vollständig dargestellt ist; die übrigen Zweige, es können deren beliebig viele angeschaltet werden, sind nur zum Teil dargestellt, um die Zeichnung übersichtlich zu erhalten. Die Pumpfrequenz wird in diesem Ausführungsbeispiel von einer Pumpspannungsquelle Po₁ über ohmsche Widerstände, die hier mit R₁, R₂ usw. bezeichnet sind, den Pumpkreisen zugeführt. Natürlich ist es auch möglich, mehrere Pumpspannungsquellen vorzusehen, deren Energie den einzelnen Pumpkreisen direkt zugeführt werden kann. Es ist zunächst vorausgesetzt, daß sämtliche Pumpkreise auf die gleiche Pumpfrequenz f_P und sämtliche Hilfskreise auf die gleiche Hilfsfrequenz f_H abgestimmt sind.

Für einen derartigen Verstärker erhält man die Verstärkung Frequenz f_H abgestimmt werden, wobei sich wieder als Verstärkung in Bandmitte

S3 =

1 +jQs-

(H

und in Bandmitte

45

V - " max —

Man sieht, daß der Verstärkungsfaktor (Entdämpfungskonstante) wesentlich größer sein kann als bei dem üblichen parametrischen Verstärker. Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen parametrischen Verstärkers, der gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 den Vorteil hat, daß nur ein Pumpkreis notwendig ist, ist in Fig. 4 dargestellt.

In der Anordnung nach Fig. 4 wird ein Zweig durch die Serienschaltung des Signalkreises SK₂ und Pumpkreises PK₂ gebildet. Dem Signalkreis SK₂ wird wieder die Signalfrequenz von einer Signalquelle SQ₂ und dem Pumpkreis PK₂ die Pumpfrequenz f_P von einer Pumpspannungsquelle PQ₂ zugeführt. Parallel zu diesem Zweig liegen zwei oder mehrere Zweige, die aus der Serienschaltung je einer steuerbaren Reaktanz D₅ bis D₉ ... und je einem Hilfskreis HK₅ bis HK₉ ... bestehen. Auch hier wird zunächst wieder angenommen, daß die Hilfskreise alle auf gleiche ergibt.

Wie schon erwähnt, wurde bereits vorgeschlagen, mehrere parametrische Verstärker in Kette zu schalten. Bei dieser bekannten Anordnung sind also mehrere vollständige parametrische Verstärker notwendig, während die erfindungsgemäße Anordnung nur einen einzigen parametrischen Verstärker darstellt, da in jedem Fall nur ein Signalkreis und im Falle der Fig. 4 darüber hinaus auch nur ein Pumpkreis erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Anordnung unterscheidet sich also von der bekannten Kettenschaltung mehrerer parametrischer Verstärker in vorteilhafter Weise durch einen wesentlich geringeren Schaltungsaufwand.

Der erfindungsgemäße Verstärker kann natürlich auch mit allgemeinen selektiven Netzwerken SN, PN und HN (Zwei- bzw. Vierpolen), wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, betrieben werden. Dabei kann beim Betrieb als Geradeausverstärker die Einspeisung der Signalenergie an den Klemmen 1, Γ oder 2, 2' und die Entnahme der verstärkten Energie ebenfalls an den Klemmen 1, 1' und/oder 2, 2' erfolgen. Im übrigen entspricht die Schaltung gemäß Fig. 5 der Schaltung gemäß Fig. 3 und die Schaltung gemäß Fig. 6 der Schaltung gemäß Fig. 4. Die ohmschen Widerstände dienen hier wieder zur Anpassung der frequenzselektiven Netzwerke.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird ein parametrischer Verstärker vorgeschlagen, dessen Frequenzbandbreite wesentlich größer als die der bekannten parametrischen Verstärker ist. Gemäß dieser Weiterbildung sind die verschiedenen in den Parallelzweigen vorgesehenen Hilfskreise der Fig. 3 bis 6 oder auch, sofern deren mehrere vorgesehen sind, die Pumpkreise der Fig. 3 und 5 oder auch beide zusammen gegeneinander in der Frequenz derart versetzt, daß sich ihre Resonanzkurven teilweise über lappen. Die Bemessung dieser Kreise erfolgt derart, daß f_OH⁼⁼foP~fos ist- Einer der Hilfskreise oder der Pumpkreise kann natürlich nach wie vor auf Bandmitte abgestimmt sein, d. h., für diesen Zweig kann nach wie vor die Beziehung f_OH—foP~~foS exakt gelten. Mit einer derart bemessenen Schaltung erhält man eine Durchlaßkurve, wie sie beispielsweise in Fig. 7 dargestellt ist. Die verschiedenen glockenförmigen Resonanzkurven, hervorgerufen durch die Parallelzweige in Zusammenwirkung mit dem Signalkreis, ergeben zusammen ein Frequenzverhalten mit Bandpaßcharakteristik. Die Verstärkung verläuft in diesem Fall nach der Beziehung

SB =

1 -JÜ.

Hi

wobei Q_m die normierte Verstimmung der Hilfskreise ist.

Bei Benutzung von je einer Pumpquelle, einem Pumpkreis, einem Hilfskreis und einer Nichtlinearität als aktives Element in den parallel zum Signalkreis liegenden Zweigen kann bei gleichabgestimmten Hilfskreisen die gleiche Charakteristik, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist, erhalten werden, indem man unterschiedliche Frequenzen f_{P v} f_P ₂, f_P3 ... wählt.

Eine geringfügige Abweichung von der Gleichung f_on=f_op—f_os ergibt schon bei einem einfachen bekannten parametrischen Verstärker, wie er z. B. in Fig. 1 dargestellt ist, einen Bandbreitengewinn. In diesem Fall erhält man eine Bandfiltercharakteristik, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß ein solcher parametrischer Verstärker wie auch die erfindungsgemäßen parametrischen Verstärker eine erhöhte Stabilität gegenüber einem Verstärker aufweist, dessen Kreise der Beziehung foii—foP~~foS genügen. Gegebenenfalls brauchen Signal- und Pumpkreise nicht extra vorgesehen zu sein, da ja Signal- und Pumpspannungsquelle unter Umständen am Ausgang frequenzselektive Mittel enthalten.

An Stelle der in den Ausführungsbeispielen als nichtlineare Reaktanzen verwendeten Dioden können auch nichtlineare Induktivitäten durch Verwendung von Ferriten Verwendung finden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Parametrischer Verstärker mit einem Signalkreis, mehreren je eine nichtlineare Reaktanz und je einen Hilfskreis enthaltenden, parallel zum Signalkreis geschalteten Zweigen und Mitteln, um Pumpenergie zur Durchsteuerung der nichtlinearen Reaktanzen entweder dem durch den Signalkreis gebildeten Zweig oder allen parallel zum Signalkreis liegenden Zweigen zuzuführen.

2. Parametrischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenergie über einen in Serie zum Signalkreis liegenden Pumpkreis zugeführt wird.

3. Parametrischer Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenergie über in Serie zu den steuerbaren Reaktanzen und den Hilfskreisen liegende Pumpkreise zugeführt wird.

4. Parametrischer Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Pumpkreise über je einen ohmschen Widerstand parallel zueinander an eine Pumpsignalquelle angeschaltet sind.

5. Parametrischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßfrequenzen der Hilfskreise gegeneinander derart versetzt sind, daß sich die Durchlaßkurven teilweise überlappen.

6. Parametrischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßfrequenzen der Pumpkreise und gegebenenfalls die Frequenzen der Pumpquellen derart gegeneinander versetzt sind, daß sich die Durchlaßkurven teilweise überlappen.

7. Parametrischer Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem an Stelle der einfachen Pump-, Signal- und Hilfskreise selektive Zwei- oder Vierpole mit Bandpaßcharakteristik vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

ι 109 650/274 7.61