Расчет предварительного усилителя телевизионной камеры

 

 Коэффициент  спада показывает, какую часть  от Uвх на f = 1(МГц) составляет сигнал на частоте fmax. 

3.2 Расчет общего коэффициента усиления широкополосного усилителя, блок 1

     Определяется  общий коэффициент усиления широкополосного  усилителя, блок 1.

                                ,                                   (6)       

где Ккор.max-коэффициент передачи схемы коррекции входной цепи на частоте fmax.

При использовании  в качестве схемы коррекции входной  цепи частотно-зависимого делителя, его  коэффициент передачи на  fmax  (как будет показано далее) равен

                                       Ккор.max(fmax)=0.5

  Ранее уже отмечалось, что сигнал на выходе корректирующей цепи должен быть равен или превышать размах сигнала на входе ПУ, поэтому в числителе формулы (6) стоит множитель 2. Чтобы АЧХ после схемы коррекции была равномерной во всем рабочем диапазоне частот, схема коррекции должна ослаблять его в области нижних частот в Ксп раз.

3.3 Расчет коэффициента усиления широкополосного усиления блока 3

     Рассчитывается  коэффициент усиления широкополосного  усиления блок 3. Как отношение напряжения на входе эмиттерного повторителя к размаху видеосигнала на выходе корректирующей цепи (Uк.ц.). Если учесть, что коэффициент передачи по напряжению ЭП равен 0.5, тогда:

            К3=Uвх э.п./Uк.ц = 2Uвых/U_КЦ                      (7)

Uк.ц = 2U_С=2i_CR_H                   

            К3=2*0,4/(2*50*10³*0.7*10^-6)=11,4 

3.4 Определение числа транзисторных каскадов в каждом блоке и их коэффициентов усиления.

 

     Зная  общие коэффициенты усиления блоков 1 и 2, теперь можно найти число  транзисторных каскадов в каждом блоке. Здесь следует учесть:

  -общее число каскадов Nтр, усиливающих сигнал должно быть нечетным, если сигнал на нагрузке трубки негативный, а на выходе ПУ он должен быть позитивным;

      -при  усилении видеосигнала коэффициент  усиления одного каскада на  биполярном транзисторе реально  не превышает 10-15 раз.

      Возьмем 3 транзисторных каскада. 

3.5 Определение допуска на неравномерность АЧХ на fmax в каждом усилительном каскаде. 

      Без учета эмиттерного повторителя, который практически не вносит искажений  в АЧХ. В таблице №1 заданы искажения  на  fmax в процентах, т.е. задается ПУ допустимая неравномерность АЧХ на весь ПУ на верхней частоте рабочего диапазона – Мв (%). Её можно априорно распределить равномерно по числу транзисторных каскадов в блоках 1 и 3: 

                                    ,                              (8)

где М_вi (%) - допустимая неравномерность АЧХ на  fmax одного каскада; Nтр - число усилительных каскадов в ПУ.

      Поскольку определения основных элементов  усилительных каскадов дается далее  через относительный коэффициент  усиления (К/Ко), а не через допустимую неравномерность Мв(%),то связь между ними следующая:

                               (К/Ко)=1-Мв(%)/100

Например: M_вi≤10% , тогда (К/Ко)≤ 0.9; M_вi≤2%, тогда  (К/Ко)i ≤ 0.98. 

3.6 Распределение НЧ искажений

      Распределяются  НЧ искажения, вызванные емкостями, связывающими отдельные каскады, если в усилителе используется резистивно - емкостная связь между каскадами. Максимальное число разделительных цепей равно общему числу каскадов усиления ПУ, включая эмиттерный повторитель. Искажения задаются допустимым сколом вершины симметричного прямоугольного импульса частоты 50 Гц, рисунок 1. Все  другие виды импульсов, входящие в состав видеосигнала будут иметь меньшие  НЧ искажения.

      Допустимый  скол плоской вершины импульса задан  равным 5¸10% на весь усилитель. Такая неравномерность яркости, обусловленная НЧ искажениями, глазом еще не замечается. Допуск на одну разделительную (емкость) цепь может быть найден простым соотношением:

                                            ,                                          (9)     

,

где nс - число разделительных емкостей; - допуск на скол плоской вершины в относительных единицах на одну разделительную емкость. Каскады, имеющие гальваническую связь, НЧ искажений не вносят.

        Итак, расчет структурной схемы  ПУ должен дать:

             -общее число каскадов усиления;

             -необходимый коэффициент усиления  по напряжению каждого каскада;

             -величину относительного коэффициента  усиления каждого каскада на  верхней частоте рабочего диапазона  - (К/Ко)i;

       -допуск на скол плоской вершины симметричного прямоугольного импульса частоты 50 Гц для каждой разделительной цепи -D_i. 
 
 
 
 
 

4.   Расчет принципиальной  схемы ПУ

 

   Расчет  принципиальной схемы ПУ ведется  также как и любых широкополосных усилителей, начиная с его выхода ко входу. Поэтому расчет должен начинаться с эмиттерного повторителя.

4.1 Расчет  эмиттерного повторителя

 

      Эмиттерный  повторитель (рисунок 4) имеет большое  входное сопротивление и малое  выходное. Как правило, выходное сопротивление  ЭП меньше волнового сопротивления  коаксиального кабеля Zв = 75(Ом). Это приводит к необходимости включать дополнительное согласующее сопротивление (R2) и при расчетах учитывать резистивный делитель Zв/(R2+Zв). Тогда коэффициент передачи по напряжению ЭП можно записать так:

                                                         (10)

Поэтому в предварительных расчетах следует  полагать, что коэффициент передачи ЭП ~ 0.5.

      Прежде  всего, задаются током ( Iоэ) и напряжением (Uхэо) в рабочей точке, на статических характеристиках транзистора. Для этого вначале определяется размах тока видеосигнала на входе кабеля, рисунок 4.

                                 Iк~ =Uн~/Zв, (mA)                         (11)

Iк~ = 0,4/75=5,3 мА

Uн~ - заданный размах напряжения сигнала в нагрузке ПУ. С учетом особенностей видеосигнала наличие средней составляющей задается током эмиттера в рабочей точке следующим образом:

                                 Iэо @ (1.3¸1.5)Iк~.                           (12)

                                 Iэо @ 1.5Iк~=1,5*5,3*10^-3=7,95 мА.                          

     Сопротивление в эмиттерной цепи (Rэ) предохраняет транзистор от пробоя при отключении нагрузки, т.е. кабеля. Поэтому R_Э >> R2 // Zв и обычно выбирается 300¸500 (Ом). Тогда с учетом выражения (12) сопротивление будет равно:

                                R2 =(0.3¸0.5)Rэ-Zв                          (13)

R2 =0.4*400-75=85 Ом

      По  выходным характеристикам транзистора  находится значение напряжения в  рабочей точке Uкэо, учитывая: Iко @ Iэо- Iэо/h21э. Где значение параметра h21э выбирается из справочников для заданного типа транзистора

h21э=75. Iко @ 6*10^-3- 6*10 ^-3/75=5,92 мА. 
 
 
 

       Для расчета  делителя базы эмиттерного повторителя  необходимо задаться током делителя базы. С целью обеспечения стабилизации рабочей точки в транзисторных  каскадах полагают Iд  ≥  (3¸10)Iбо. Где значение  Iбо находится по входным характеристикам выбранного транзистора. i_Б0=0,2 мА; U_Б0=0,5 В, тогда I_Д=2 мА

                         ,    ,

                                      (14)             

  Теперь можно определить входное сопротивление эмиттерного повторителя

                          ,           (15)

где - объемное сопротивление базы и может быть найдена из постоянной времени обратной связи ; Ск - емкость коллекторного перехода;

T_б=75пс; С_К=2,5 пФ;

 

(мА) - значение  коллекторного тока в рабочей  точке. 

Тогда коэффициент  передачи ЭП:

                              (16) 

4.2 Расчет усилительных каскадов на биполярном транзисторе

 

  Все усилительные каскады ПУ выполняются на биполярных транзисторах, рисунок 5. Вначале по входным и выходным характеристикам определяется положение рабочей точки.

           От выбора режима работы транзистора  зависит:

      -усиление;

      -стабильность  режима работы;

      -экономичность;

      -возможность  подавления заметных нелинейных  искажений.

     При выборе рабочей точки сравнивают постоянную составляющую тока коллектора, рассчитываемого каскада, с переменной составляющей тока базы  следующего каскада:

                        IКо min = (2¸4)Iб max сл                   (17)

а коллекторное напряжение - с напряжением насыщения:

                        UКо min = (2¸3)UК нас                            (18)

     Выбранное значение постоянного напряжения (UКо) не должно превышать половины от максимально допустимого и нежелательно брать больше значения, при котором дан параметр h21э. Но основным фактором, определяющим (IКо) и (UКо) является величина h21э. Так как значение h21э в сильной степени зависит от выбранных значений (IКо) и (UКо). Особенно величина этого параметра зависит от коллекторного (эмиттерного) тока. И в меньшей степени от коллекторного напряжения. Вообще при расчете ПУ можно рекомендовать использование транзисторов при значениях  коллекторного тока IКо =(0.3¸3) [мА] и напряжения UКо не более 5 [В]. Возьмем IКо =2 мА, UКо=5В