Расчет предварительного усилителя телевизионной камеры

Федеральное государственное образовательное  бюджетное учреждение высшего профессионального  образования

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

(ФГОБУ  ВПО СибГУТИ) 
 
 

Кафедра РВ и ТВ 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовой  проект по теме:

«Расчет предварительного усилителя телевизионной  камеры» 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила:

Антонова  Е.И.

Ст. гр. Р-73

Проверила:

Барабанова  А.М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Новосибирск – 2011г.

Содержание 

Стр.

Введение…………………………………………………………………….….3

1. Выбор типа транзисторов…………………………………………….….4
2. Определение величины сопротивления нагрузки………………………7
3. Расчет структурной схемы предварительного усилителя……………...8
1. Расчет коэффициента передачи цепи нагрузки ПТ

на  fmax (коэффициент спада)…………………………………..….8

2. Расчет общего коэффициента усиления

широкополосного усилителя, блок 1…………………………....10

3. Расчет коэффициента усиления широкополосного

усилителя блока 3…………………………………………..…….10

4. Определение числа транзисторных каскадов в каждом

блоке и их коэффициентов усиления……………..……………....11

5. Определения допуска на неравномерность АЧХ

  на fmax в каждом усилительном каскаде………………………..11

6. Распределение НЧ искажений…………………………………….12
4. Расчет принципиальной схемы…………………………………………..13
1. Расчет эмиттерного повторителя………………………….………13
2. Расчет усилительных каскадов на БТ…………………………….17
3. Расчет входного каскада предварительного усилителя

(каскадной  схемы)………………………………………………….22

4. Коррекция частотных искажений входной цепи………….……27

Заключение.................................................................................................33

Приложение  А. Библиография……………………………………………..34 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение 

    Особенностью  ПУ  является его способность  усиливать слабые сигналы при  наличие флуктуационных помех и  различных наводок. Основными источниками флуктуационных помех являются передающая трубка и предварительный усилитель. Флуктуационные помехи, возникающие в самих передающих трубках, невелики и поэтому считается, что результирующее отношение сигнал/помеха в основном определяется ПУ ТВ камеры. Таким образом, основным источником шумов будет нагрузка, с которой снимается сигнал, и первый каскад ПУ.

    В курсовом проекте необходимо спроектировать и рассчитать предварительный усилитель телевизионной камеры для заданных исходных данных, рассчитать результирующую АЧХ усилителя  и определить искажения усилителя в области низких и верхних частот, а также отношение сигнал/шум. 

 

1.   Выбор типа транзисторов

 

       Предварительный усилитель (ПУ) телевизионной передающей камеры является важным элементом тракта, существенно влияющим на качество изображения  в телевизионном вещании. Усилитель  должен работать в полосе частот от 50 Гц до 7.3МГц. В прикладном телевидении  эта полоса может быть иной. Особенностью ПУ  является его способность  усиливать слабые сигналы при  наличие флуктуационных помех и  различных наводок.

      Для телевизионного вещания считается, что отношение сигнал/помеха (Y) более 33дБ дает отличное изображение, при   Y =33дБ - хорошее, а при Y =27дБ - удовлетворительное.

      Передающие  ТВ трубки с внутренним фотоэффектом создают ток сигнала в пределах 0.1¸0.3 мкА. При усилении столь малых сигналов следует, прежде всего, учитывать флуктуационные помехи (ФП). Основными источниками ФП являются передающая трубка и предварительный усилитель. ФП, возникающие в самих передающих трубках, невелики и поэтому считается, что результирующее отношение сигнал/помеха в основном определяется ПУ ТВ камеры. Таким образом, основным источником шумов будет нагрузка, с которой снимается сигнал, и первый каскад ПУ.

      Найквист  доказал теоретически, что сопротивление  независимо от материала и от тока, протекающего по нему, создает на своих  зажимах ЭДС шума,  обусловленную  тем, что электроны проводимости находятся в тепловом равновесии с атомами. Эти шумы создаются  случайными флуктуациями и мощность их равномерно распределена в полосе частот. Эффективное напряжение этих шумов пропорциональна активной составляющей сопротивления и равна

          ,     (В)                                              (1)

где   Dfn- полоса пропускания устройства; Rн-величина сопротивления нагрузки передающей ТВ трубки (ПТ), постоянная Больцмана К=1.38 × 10^-23 Дж/град; Т-температура по шкале Кельвина. С другой стороны внутреннее сопротивление ПТ очень большое, порядка несколько десятков МОм. Поэтому при условии Rн<<Ri пт  напряжение сигнала будет пропорциональна величине Rн, т.е. трубку можно рассматривать как генератор тока. Величина напряжения сигнала выделяемая на нем будет равна:

                                      (В)                                                            (2)

      Сравнение напряжения сигнала с напряжением  шумов, создаваемым сопротивлением нагрузки, показывает, что с ростом Rн сигнал растет быстрее, чем шум, а, следовательно, увеличение Rн приводит к увеличению отношения сигнал/шум, (Ψ).

      Но  нагрузку Rн шунтирует емкость Cн (рисунок 2), состоящая из выходной емкости трубки - Сп.тр, емкости монтажа-См и входной динамической емкости первого транзисторного каскада усилителя - Свх.тр., т.е.

                        Сн = Сп .тр + См + Свх.тр

Сн = 6 + 7 + 7=20 пФ

Заметим, что цепь нагрузки трубки RнСн является входной цепью для предварительного усилителя.

      С ростом Rн во входной цепи возникают значительные частотные искажения, определяемые формой

       ,                         (3) 

          

где (К/Ко)н -относительный коэффициент  передачи цепи нагрузки ПТ, а f-частота сигнала в рабочей полосе ПУ. 

     Следовательно, входное сопротивление первого  усилительного каскада должно быть хотя бы на порядок выше, т.е. 0.5¸1.5(МОм). Таким большим входным сопротивлением обладает только полевой транзистор. Если к тому же использовать в качестве первого усилительного каскада каскодную схему (общий исток - общая база), то хорошая развязка выхода каскада от его входа позволяет минимизировать Сн, которое в этом случае примерно равно проходной Сзи полевого транзистора. Поэтому  выбирать полевой транзистор следует по принципу:

     -малых  шумов (Rш @0.7/S);

     -маломощный, высокочастотный с fгр.тр. ³ 10fmax;

  -минимальная емкость затвор-исток (Сзи).

Берем полевой транзистор КП313А.

2.   Определение величины  сопротивления нагрузки

 

     Из  выше сказанного видно, что повысить соотношение сигнал/шум        можно увеличением нагрузочного сопротивления трубки Rн до значения практически в 1000,10000 раз превышающего сопротивление, при котором еще обеспечивается равномерность АЧХ на верхних частотах полосы пропускания ПУ. Этот способ повышения  y  называется простой противошумовой коррекцией, предложенного Г.В. Брауде.

      При работе с трубками типа видикон Rн обычно не превышает 100(кОм), у плюмбиконов внутреннее сопротивление больше, что позволяет использовать сопротивление нагрузки до 1 (МОм). С помощью простой противошумовой коррекции удается значительно, на 20¸30(дБ) повысить отношение сигнал/шум, это определяет её широкое использование в ПУ. При использовании противошумовой коррекции величина отношения сигнал/шум может быть найдена следующим образом /2/:

                    (4)   

     При комнатной температуре Т=300⁰ (или 27⁰ С) величина множителя КТ=4.14 ×10^-21 

     Из  этого выражения, при заданном соотношении  (в разах), находится значение Rн. Здесь Rш - эквивалентное сопротивление шумов первого каскада усиления. Его величина определяется через крутизну проходной характеристики полевого транзистора,

                    

i_C=15мА. Полевой транзистор КП313А имеет крутизну проходной характеристики S=10 (мА/В), а Rш =70 (Ом).Примем  R_H=50 кОм.

3.   Расчет структурной  схемы предварительного  усилителя

 

     Структурная схема предварительного усилителя  представлена на рисунке 3. Здесь же приведены диаграммы коэффициентов передачи каждого блока.

     Напряжение входного сигнала с нагрузки трубки Rн подается на блок широкополосного усилителя 1 с равномерной частотной характеристикой в пределах заданной рабочей полосы. Блок 1 может содержать несколько усилительных каскадов, при этом первый каскад выполняется на полевом транзисторе. Значительная неравномерность цепи нагрузки ПТ, из-за наличия шунтирующей емкости Сн, корректируется на блоке 2. Схема корректирующей цепи ослабляет сигнал на нижних частотах во столько же раз, во сколько сигнал ослабляется на высоких частотах цепью RнСн. После цепи коррекции величина сигнала не должна быть меньше входного, чтобы не ухудшилось отношение сигнал/шум. В блоке 3 обеспечивается равномерное усиление сигнала в рабочем диапазоне частот до необходимой величины Uвых, (В).

        Обычно предварительный усилитель  на выходе нагружен коаксиальным  кабелем с волновым сопротивлением  Zв =75(Ом), а выходное сопротивление ПУ составляет единицы кОм. Чтобы осуществить согласование и ослабить влияние последующих цепей на работу ПУ выходной каскад (блок 4) строится по схеме эмиттерного повторителя ЭП. Для согласования выходного сопротивления повторителя (оно в несколько раз меньше Zв) и кабеля включают в схему согласующий резистор R2. Поэтому коэффициент передачи ЭП близок к Кэп @0.5.

      Как отмечалось, величина сигнала после  корректирующей цепи не должна быть меньше входного, чтобы выдержать требуемое  соотношение сигнал/шум. Обычно обеспечивается запас в два раза, т.е. коэффициент  усиления сигнала блока 1 выбирается в два раза больше, чем это необходимо. 

1. Расчет  коэффициента передачи цепи нагрузки ПТ на fmax (коэффициент спада)

     Находится коэффициент передачи цепи нагрузки ПТ на  fmax (коэффициент спада):

                                                                 (5)