6. Краткие теоретические сведения по проектированию

ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

6.1. Особенности усиления сигналов передающих телевизионных трубок

Передающие ТВ трубки типа видикон, плюмбикон и аналогичные создают ток сигнала в пределах 0,1-0,3 мкА. Усиление столь сла­бых сигналов связано с рядом трудностей, прежде всего из-за флуктуационных помех усилителя.

Флуктуационные помехи возникают и в самих передающих труб­ках, но их величина невелика и допустимо считать, что результи­рующее отношение сигнал/помеха определяется предварительным усилителем ТВ камеры. Исключением являются трубки с встроенным усилителем. Например, ток сигнала суперортикона достигает 100 мкА и величина отношения сигнал/помеха в этом случае опре­деляется самой трубкой, а не усилителем.

Если не учитывать собственные шумы (флуктуационные помехи) трубки, то источниками шумов будут резистор нагрузки, с которо­го снимается сигнал, и первый каскад усилителя.

Найквист доказал теоретически, что сопротивление (резистор) независимо от материала, из которого оно сделано, и от тока, протекающего по нему, создает на своих зажимах ЭДС, обусловлен­ную тем, что электроны проводимости находятся в тепловом равно­весии с атомами. Эти шумы создаются случайными флуктуациями и мощность их равномерно распределена в широкой полосе частот.

Эффективное напряжение этих шумов пропорционально величине сопротивления, или в случае комплексного импеданса, его активной составляющей. Мощность пропорциональна абсолютной температуре сопротивления .

Напряжение шумов будет

(1)

где и - границы полоса частот,

- величина сопротивления,

- постоянная Больцмана, Дж/град,

- температура в градусах Кельвина.

В стандартном телевидении Гц, МГц, т.е. и формулу можно записать

Шумовые свойства полевого транзистора характеризуют его шумовым сопротивлением. Эквивалентным шумовым сопротивлением называют такое сопротивление, которое будучи подключено ко вхо­ду идеального (не шумящего) транзистора создает такие же флуктуации выходного тока, как данный транзистор.

Из-за малого уровня собственных шумов и высокого входного сопротивления в современных предварительных усилителях на входе используют полевые транзисторы.

Эквивалентное шумовое сопротивление полевого транзистора [1] определяется крутизной его характеристики

(2)

Выходное сопротивление плюмбикона, видикона и аналогичных передащих трубок весьма велико и превышает МОм. Поэтому при сопротивлении нагрузки напряжение сигнала пропорционально величине , т.е. трубку можно рассмат­ривать как генератор тока .

С другой стороны, как видно из (1), напряжение шумов ре­зистора нагрузки пропорционально .

Таким образом, с ростом , будет увеличиваться отно­шение сигнал/помеха.

Но из-за влияния неизбежно существующей входной емкости при увеличении во входной цепи возникают зна­чительные частотные искажения. Их можно скорректировать в пред­варительном усилителе. В этом и заключается сущность способа так называемой простой противошумовой коррекции, предложенного Г.В.Брауде.

На рис. 1 показана входная цепь усилителя и соответствующие частотные характеристики. С ростом частоты напряжение бу­дет уменьшаться из-за шунтирования сопротивления нагрузки труб­ки емкостью . Относительная величина частотных ис­кажений входной цепи

(3)

где - постоянная времени входной цепи,

, - частота.

Для полной коррекции искажений, возникших во входной це­пи, корректирующая схема должна иметь частотную характеристику обратную (3)

(4)

Тогда

,

и искажений не будет.

Относительный спад частотной характеристики на верхней час­тоте может быть значительным. Например, при МОм и пФ относительная величина коэффициента передачи на частоте 6,5 МГЦ будет , и корректирующая схема должна изменить коэффициент передачи в раза.

При использовании противошумовой коррекции величина отноше­ния сигнал/помеха может быть найдена [2] из выражения

(5)

При комнатной температуре (или 27°С) величина множителя .

Заметность помех на телевизионном экране зависит не только от величины , характеризующей отношение сигнал/шум сигна­ла. Важным фактором является еще структура помехи. Увеличение нагрузочного сопротивления , при заданной величине , повышает удельный вес низкочастотных составляющих сигнала, т.е. уменьшает заметность помех в наиболее важных для наблюдателя участках изображения. Этим и объясняется выигрыш в качестве изо­бражения, получаемый при использовании противошумовой коррекции.

Из выражения (5) следует, что отношение сигнал/помеха пря­мо пропорционально величине тока сигнала передающей трубки.

Остальные величины входят в (5) в менее явном виде и для суждения об их влиянии следует рассмотреть численные примеры.

Как видно из представленных на рис. 2 результатов, отноше­ние сигнал/помеха существенно зависит от емкости и от­носительно слабо от величины сопротивления нагрузки . По­этому при проектировании предварительного усилителя важно иметь минимальную величину входной емкости. По этой же причине входные каскады располагаются возможно ближе к выводу сигнальной плас­тины трубки.

Влияние входной емкости транзистора иллюстрируется конкрет­ном примером. Иногда во входном каскаде включают параллельно два полевых транзистора. При этом в два раза увеличивается вход­ная емкость усилителя, но и в два раза увеличивается крутизна характеристики эквивалентного транзистора, что уменьшает в два раза его шумовое сопротивление. В зависимости от величины входной емкости транзистора параллельное включение может либо улуч­шить отношение сигнал/помеха, либо не изменить, или даже пони­зить величину .

Рассмотрим схему рис. 3. Пусть емкость передающей трубки совместно с емкостью монтажа пФ, входная емкость транзистора пФ и шумовое сопротивление одного тран­зистора Ом. Конкретные величины, характеризующие схему с одним и двумя транзисторами, будем располагать двумя колонками. В примере расчеты были выполнены для МОм, МГц, К и мкА.

Один транзистор:	Два транзистора:
пФ Ом	пФ

Как видно при приведенных данных параллельное включение транзисторов даже ухудшило величину .

Предположим далее, что за счет рационального монтажа или применения, например, каскодной схемы, уменьшающей динамичес­кую входную емкость, величина пФ. Тогда получим сле­дующие результаты.

Один транзистор:	Два транзистора:
пФ Ом	пФ Ом

т.е. параллельное включение транзисторов увеличило отношение сигнал/помеха.

Поэтому целесообразность включения одного или двух транзис­торов должна определяться в конкретных условиях.

В практически выполненных усилителях более двух транзисто­ров параллельно не включают.