Может быть, не каждый пытался поразмыслить над тем, что представляет собой усиление.
Мы не можем усилить электрические колебания, не затратив на это известную мощность. Усиленные колебания будут иметь большую амплитуду, их энергия возрастет. Излишек энергии не может возникнуть из ничего. Он должен быть введен извне.
Так в действительности и происходит. Усилитель не может работать без питания, без ввода в него энергии, причем энергия должна быть введена в систему так, чтобы имеющиеся в ней электрические колебания усилились. Ввод энергии должен происходить в такт с колебаниями, иначе существующие колебания можно не увеличить, а заглушить.
К новым видам усилителей относятся так называемые параметрические усилители. Познакомимся с их работой.
Колебательный контур состоит из катушки индуктивности и конденсатора. Величины индуктивности и емкости являются одними из параметров контура. Вспомним, чему равно напряжение на конденсаторе при подведении к нему какого-нибудь заряда. Оно равно:
где и — напряжение на конденсаторе; q — его заряд, а С — его емкость.
Напряжение прямо пропорционально величине заряда и обратно пропорционально емкости конденсатора. Из этого выражения вытекает, что для увеличения напряжения на конденсаторе необязательно увеличивать его заряд, т. е. сообщать ему дополнительную порцию электричества. Этого можно добиться также путем уменьшения емкости конденсатора.
Если в контуре происходят электрические колебания, то заряд и, следовательно, напряжение на конденсаторе изменяются синусоидально. Два раза в течение периода заряд на обкладках конденсатора будет наибольшим.
А что произойдет, если мы как раз в эти моменты уменьшим емкость конденсатора? Заряд конденсатора от этого не изменится, но напряжение на конденсаторе возрастет во столько же раз, во сколько раз уменьшилась емкость конденсатора.
Но увеличение напряжения на конденсаторе означает увеличение амплитуды колебаний, их усиление. Таким образом, для усиления колебаний в контуре можно в моменты наибольшего заряда конденсатора уменьшать его емкость, с тем чтобы в моменты полного разряда конденсатора возвращать емкость конденсатора к его начальной величине. Два раза в течение периода колебаний придется емкость увеличивать и 2 раза возвращать ее к исходному значению. Делать это надо в такт с колебаниями— точно в моменты наибольшего заряда и полного разряда — и в фазе с ними — уменьшать в моменты полного заряда и увеличивать в моменты полного разряда.
Пользуясь таким способом, можно усилить колебания в контуре. Так как усиление осуществляется путем изменения одного из параметров контура, то такой способ получил название параметрического усиления.
Естественно, что усиление и тут не происходит без затраты энергии. В конденсаторе между пластинами существует электрическое поле, и чтобы раздвинуть пластины, надо затратить известную энергию (равную
.
Эта энергия увеличивает поле конденсатора, вследствие чего и возрастает напряжение на нем. В моменты полного разряда конденсатора увеличение его емкости до начальной величины не будет сопровождаться сообщением ему какой-либо дополнительной энергии, так как сближение пластин не встречает противодействия поля, которое отсутствует (другого рода потери энергии на восстановление начальной емкости конденсатора мы для простоты не учитываем).
Практическое осуществление параметрического усилителя не представляет особой сложности. Для этой цели можно воспользоваться, например, полупроводниковым диодом. У диода имеется запорный слой, в котором отсутствуют свободные носители зарядов. Этот слой находится между слоями различной проводимости. Таким образом, диод по существу представляет собой конденсатор. Расстояние между «пластинами» этого конденсатора, т. е. толщина запорного слоя, зависит от знака и величины напряжения в обоих слоях. При подведении напряжения в «прямом» направлении толщина слоя уменьшается, при подведении напряжения обратного значения она увеличивается. Изменяя напряжение на слоях диода, можно изменять нужным образом емкость «конденсатора», которым является диод. Диод представляет собой «конденсатор переменной емкости» у которого изменение емкости может управляться теми же колебаниями, которые надо усилить, а электропитание он получает от генератора, который часто называют генератором накачки.
Увеличение амплитуды колебаний, их усиление не могут быть бесконечны. По достижении некоторого предела устройство начнет генерировать колебания — превратится в параметрический генератор.
Современные диоды позволяют параметрическим усилителям работать на очень высоких частотах — до нескольких десятков тысяч мегагерц. Параметрические усилители характерны очень малыми собственными шумами. Если на запорный слой подать некоторое отрицательное смещение, то свободные носители зарядов будут в этом слое практически отсутствовать и шумы окажутся сведенными к незначительной величине.
Как заметил, наверное, читатель, у параметрических усилителей очень много общего с регенеративными усилителями. Это сходство простирается еще дальше. Возможно устройство своего рода «сверхрегенеративных» параметрических усилителей. Принципы действия сверхпараметрического и сверхрегенеративного усилителей по существу аналогичны. Параметрический усилитель определенное количество раз в секунду доводится до генерации, которая тут же гасится (так же работает и сверхрегенератор) . Параметрический сверхрегенератор позволяет усиливать мощность сигнала в некоторых случаях в десятки миллионов раз.