Отчет по УИР. Телевизионные усилители

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ

(Каф. РЗИ)

ОТЧЕТ ПО УИР

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

ВЫПОЛНИЛ ст. гр. 146-1

-----------------ЧЕРВАНОВ В.В.

ПРОВЕРИЛ

Преподаватель каф. РЗИ

-----------------------ТИТОВ А.А.

1. ЗАДАНИЕ

Анализ возможных способов построения маломощного усилителя 27 канала ТВ

Технические характеристики усилителя:

- мощность изображения-10Вт;

- мощность звука-1Вт;

- 27 канал ДМВ – 519,25Мгц;

-Uвх из=0,7В;

-Uвх зв=0,3В;

-Еп=24В.

2. ВВЕДЕНИЕ

В устройствах теле- и радиовещания, системах линейной и нелинейной радиолокации, измерительной технике и экспериментальной физике в ряде случаев возникает проблема линейного сложения в нагрузке мощности двух независимых сигналов с относительной расстройкой между ними, не превышающей нескольких процентов.

Использование для рассматриваемых целей схем сложения мощности на основе длинных линий приводит к потере половины мощности суммируемых сигналов. Использование кольцевых частотно-разделительных цепей также затруднительно из-за необходимости реализации высокодобротных фильтров высоких порядков.

Поэтому в телевизионных передатчиках с выходной мощностью более 1 кВт сложение радиосигналов изображения и звукового сопровождения осуществляется с помощью диплексеров [1].Помимо раздельного усиления применяется принцип совместного усиления радиосигналов изображения и звука в одном усилительном тракте [2].

При совместном усилении радиосигналов вещательного телевидения, в усилительном тракте амплитуда суммарного сигнала, действующего в канале усиления, в 1,32 раза превышает амплитуду сигнала изображения [3] (при отношении Риз/Рзв=10:1), тракт должен обладать большим динамическим диапазоном, чем в случае раздельного усиления радиосигналов. Кроме того, линейность такого тракта должна быть значительно лучше, т. к. нелинейность является причиной перекрестных искажений сигналов [3].

Поскольку уровни обоих сигналов достаточно велики, требования к дифференциальным характеристикам усилительного тракта значительно жестче, чем для передатчика ТV изображения (ТВП), где в широкополосном ВЧ тракте усиливается только радиосигнал изображения. Аналогично тому как при передаче полного цветового ТВ сигнала в ТВП дифференциальные искажения приводят к перекрестным искажениям между составляющими сигнала, в телевизионном ретрансляторе-преобразователе (РПТ) появляются перекрестные искажения между радиосигналами изображения, звукового сопровождения и боковых частот. В реальном усилителе ВЧ сигналов из-за его нелинейности между основными частотами спектра: fиз,fзв и fбок (где fбок может быть, например fбок=fиз+fцв) возникают комбинационные составляющие тем большего уровня, чем большей нелинейностью обладает усилитель.

Комбинационные продукты могут быть внеполосными и внутриполосными. Уровни внеполосных излучений строго нормируются и подавляются фильтрующими элементами, включенными в тракт передающей части оборудования (в частности полосовыми фильтрами, включенными на выходе усилителя). Наиболее опасны такие комбинационные (интермодуляционные или перекрестные) продукты, которые попадают в полосу пропускания усилителей и не могут быть ликвидированы никакими режекторными цепями. Такая внутриполосная составляющая, зависящая от всех 3 основных частот спектра, имеет частоту fпом=fиз+fзв–fбок и вызвана нелинейностью амплитудной характеристики 3 порядка. Естественно, что входные усилители РПТ практически не вносят искажений в этот параметр ввиду малого уровня полезного сигнала. Основные искажения линейности сосредоточены в выходных усилителях мощности, где динамический диапазон усилительного элемента (транзистора или лампы) используют на максимум. Известны два основных метода снижения уровня перекрестных помех: создание трактов с малым ДУ во всем диапазоне уровней суммарного сигнала; введение предкорректирующей нелинейности противоположного характера в предварительном радиочастотном тракте [3].

4.СОВМЕСТНОЕ УСИЛЕНИЕ.

Как уже упоминалось ранее, для усиления радиосигналов телевизионного изображения могут использоваться усилители как c совместным усилением [2], так и усилители с раздельным усилением радиосигналов изображения и звука. Рассмотрим каждый принцип по отдельности. Начнем с совместного.

В соответствии с требованиями ГОСТ [4,5], уровень любого побочного (внеполосного) радиоизлучения телевизионных передатчиков с выходной мощностью более 25 Вт должен быть не менее чем на минус 60 дБ ниже пиковой мощности основного колебания. В то же время в усилителях мощности передатчиков с совместным трактом усиления радиосигналов изображения и звукового сопровождения не удается реализовать уровень интермодуляционных составляющих в спектре выходного сигнала менее минус 25-30 дБ.

В маломощных передатчиках, усилитель мощности для которого мы и рассматриваем, раздельное усиление не используется. Для уменьшения уровня внеполосного излучения в них применяются полосовые фильтры, поглощающие от 15 до 20 процентов выходной мощности передатчика. Схематично это выглядит так, как показано на рисунке 4.1.

Р
исунок 4.1 - структурная схема усилителя с совместным усилением

Спектр телевизионного сигнала имеет следующую форму:

Рисунок 4.2 - спектр TV-сигнала и АЧХ полосового фильтра

Как уже было сказано ранее, полосовые фильтры не обеспечивают в данной мере ГОСТом соотношение между несущей изображения и продуктами интермодуляционных (перекрестных) искажений tv и звуковых сигналов, равное –60дб. Максимальное чего удается добиваться, это –(25-35)дб. Кроме того, размеры самого фильтра оказываются соизмеримыми с размерами усилителя.

Принципиальная схема усилителя с совместным усилением приведена в приложении А.

5. РАЗДЕЛЬНОЕ УСИЛЕНИЕ.

Помимо совместного усиления, используются усилители с раздельным усилением. Принцип действия: усилитель состоит из двух каналов, в которых происходит раздельное усиление сигналов изображения и звука, в одном из каналов усиливается сигнал изображения, в другом сигнал звука, и с последующим сложением их мощностей на выходе посредством схем сложения мощностей [1].

Р
исунок 5.1 структурная схема усилителя с раздельным усилением

Использование для рассматриваемых целей схем сложения мощности на основе длинных линий приводит к потере половины мощности суммируемых сигналов. Использование кольцевых частотно-разделительных цепей также затруднительно из-за необходимости реализации высокодобротных фильтров высоких порядков.

Поэтому в телевизионных передатчиках с выходной мощностью более 1 кВт сложение радиосигналов изображения и звукового сопровождения осуществляется с помощью диплексеров, состоящих из направленных ответвителей (трехдецибельных мостов сложения) и режекторных фильтров [1]. В маломощных передатчиках, из-за больших габаритных размеров известных в настоящее время диплексеров, раздельное усиление не используется.

Но, в тоже время, в маломощных передатчиках, также как и в мощных, возможно использование раздельного усиления. Уменьшение габаритных размеров диплексеров (рис. 5.2) при этом может быть достигнуто за счет реализации малогабаритных направленных ответвителей.

Рисунок 5.2 - диплексер на основе направленного ответвителя

Здесь НО1 и НО2 - трехдецибельные мосты, - балластное сопротивление, - сопротивление нагрузки, и - мощности радиосигналов изображения и звукового сопровождения, и - емкости и индуктивности режекторных фильтров, настроенных на среднюю частоту радиосигнала звукового сопровождения.

Принципиальная схема усилителя с раздельным усилением приведена в приложении Б.

6. РАСЧЕТ ДИПЛЕКСЕРА.

В передатчиках с выходной мощностью более 1 кВт используется раздельное усиление радиосигналов изображения и звукового сопровождения с последующим их сложением на диплексере, схема которого приведена на рисунке 5.2 [1].

Поскольку возможности увеличения добротности малогабаритных режекторных фильтров ограничены, возникает проблема построения диплексера, обеспечивающего минимальные потери мощности радиосигнала изображения и звукового сопровождения при заданных допустимых искажениях формы АЧХ канала изображения.

Радиосигнал звукового сопровождения, попадая на НО2, делится поровну между выходами 5 и 6, достигая режекторных фильтров отражается от них, и складывается в фазе на выходе 8 НО2. Поэтому мощность радиосигнала звукового сопровождения, поступающая на выход 7 НО2, не зависит от сопротивления потерь режекторных фильтров. Находя разность между мощностью и мощностью поглощаемой режекторными фильтрами, получим величину мощности радиосигнала звукового сопровождения в нагрузке:

(1)

С учетом формулы (1) и соотношения для расчета входного сопротивления последовательного контура при малых растройках [6], модуль коэффициента передачи диплексера для радиосигнала изображения может быть представлен выражением:

, (2)

где ; - добротность контура; - относительная расстройка; - абсолютная расстройка; - резонансная частота контура, равная круговой частоте радиосигнала звукового сопровождения.

В соответствии с требованиями ГОСТ [4,5], при заданной расстройке нормированный коэффициент передачи канала изображения не должен быть менее определенной величины . Подставляя и в (2), получим соотношение для расчета необходимой добротности режекторных фильтров, соответствующей выбранным значениям , , , :

. (3)

Зная , не сложно рассчитать нормированные, относительно и , значения и [5]:

(4)

.

По соотношениям (3) и (4) можно рассчитать требуемые значения , и . Однако на практике, чаще всего, бывает известна достижимая величина добротности контуров, выполненных по той либо иной технологии изготовления. Поэтому, считая известными , , , , из (2), (3), (4) получим:

(5)

где - требуемая мощность радиосигнала изображения в нагрузке; .

Экспериментальные исследования диплексеров усилителей мощности ТВ передатчиков показали, что, при использовании воздушных конденсаторов и индуктивностей изготовленных из посеребренного медного провода, добротность режекторных фильтров оказывается не хуже 340-360.

Рассчитаем необходимые выходные мощности усилителей радиосигналов изображения и звукового сопровождения 10Вт передатчика 27 канала ТВ ДМВ и значения элементов режекторных фильтров диплексера, если при отстройке на 1 МГц от частоты радиосигнала звукового сопровождения нормированный коэффициент передачи канала изображения должен быть не менее минус 4 дБ [4,5], достижимая добротность режекторных фильтров равна 350, передатчик работает в 75-омном тракте.

Мощность радиосигнала звукового сопровождения в антенне, согласно [4,5], равна 10 % от номинальной пиковой мощности канала изображения. То есть =10 Вт. Несущая частота радиосигнала звукового сопровождения 27 канала ТВ равна 525,75 МГц [3]. При абсолютной расстройке в 1 МГц относительная расстройка =1/525,75=0,0019. Спад АЧХ на 1 дБ соответствует величине =0,63. Относительная расстройка =6,5/525,75=0,0124. Подставляя известные , , , , , в (5) получим:=0,438; =3,17 Вт; =10,55 Вт; =136,38 Гн; =73мФ. Исходные значения элементов режекторных фильтров равны: =19 мкГн; =1,85 пФ.

7. СОЗДАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ С НАПРАВЛЕННЫМ ОТВЕТВИТЕЛЕМ.

Возможно также создание усилителя мощности с совместным усилением на основе направленного ответвителя (НО). НО-это согласованная петля связи, помещенная в электромагнитное поле передаваемого по ВЧ фидеру радиосигнала [3]. Любой НО характеризуется 2 параметрами, показывающими зависимость между ответвляемой мощностью Ротв и мощностями, действующими в фидере Рф и в балластном резисторе Рб:

Коэффициентом направленности Кнапр= Ротв/ Рб;

Коэффициентом ответвления мощности А= Ротв/ Рф;

Хорошие НО имеют Кнапр>30дб.Коэффициент А определяется назначением НО. В TV-передатчиках НО используют, как правило, для разделения волн в ВЧ фидере. В реальных трактах всегда существует отраженная от нагрузки или элементов фидера волна.

Если НО отрегулирован так, что А=0,5 ,т.е половина мощности Рф поступает в Rн, а другая половина ответвляется, то такой НО называется трехдецибельным уравнительным мостом [3].

Задавая определенные коэффициенты ответвления мощности можно получить заданные ГОСТом соотношения 10:1 по уровню мощности Tv и звукового сигналов, выделяющихся в Rн направленного ответвителя. Что впоследствии и нужно будет реализовать практически, используя 2 усилителя одинаковой мощности совместно с направленным ответвителем.

Рисунок 7.1 - структурная схема усилителя с направленным ответвителем

Принципиальная схема усилителя с (НО) приведена в приложении В.

8. МЕТОДИКА РАСЧЕТА МКЦ.

Важным вопросом, при построении как широкополосных так и полосовых усилителей мощности, является вопрос получения максимального усиления от каждого усилительного каскада при заданном допустимом уклонении АЧХ от требуемой формы. Это связано с тем, что уменьшение усиления приводит: к снижению коэффициента полезного действия усилителя, из-за возрастания числа усилительных каскадов и увеличения потребляемой ими мощности от источника питания; к ухудшению линейности амплитудной характеристики и возрастанию интермодуляционных искажений, вследствие работы предоконечных каскадов усилителей на частотно-зависимое сопротивление нагрузки при повышенных выходных напряжениях.

В [7] описана методика параметрического синтеза таблиц нормированных значений элементов КЦ используемых в усилителях мощности, позволяющая осуществлять их реализацию с максимально возможным коэффициентом усиления при заданном допустимом уклонении АЧХ от требуемой формы.

Используя однонаправленную модель транзистора, передаточную функцию каскада с КЦ можно описать дробно-рациональной функцией комплексного переменного:

(1)

где - нормированная частота; - текущая круговая частота; - высшая круговая частота полосы пропускания широкополосного усилителя, либо центральная частота полосового усилителя; К - множитель определяющий уровень коэффициента передачи; - коэффициенты, являющиеся функциями параметров КЦ нормированных относительно и сопротивления источника сигнала для широкополосных и для полосовых усилителей.

Выберем в качестве прототипа передаточной характеристики каскада дробно-рациональную функцию вида:

. (2)

Найдём такие её коэффициенты, которые позволят из системы нелинейных уравнений:

(3)

рассчитать нормированные значения элементов КЦ, обеспечивающие максимальный коэффициент усиления при заданном допустимом уклонении АЧХ от требуемой формы. С целью нахождения требуемых значений коэффициентов перейдем к квадрату модуля функции (2):

где -вектор коэффициентов ; -вектор коэффициентов

Для решения задачи нахождения векторов коэффициентов воспользуемся методом оптимального синтеза теории фильтров. Для этого составим систему линейных неравенств:

(4)

,

где - дискретное множество конечного числа точек в заданной нормированной области частот; - требуемая зависимость квадрата модуля на множестве ;- допустимое уклонение от ; малая константа .

Первое неравенство в (4) определяет величину допустимого уклонения АЧХ каскада от требуемой формы. Второе и третье неравенства определяют условия физической реализуемости рассчитываемой КЦ. Учитывая, что полиномы и положительны, модульные неравенства можно заменить простыми и записать задачу в следующем виде :

(5)

В результате получим систему однородных линейных неравенств, являющуюся задачей линейного программирования. Для обеспечения максимального коэффициента усиления рассчитываемого каскада, неравенства (5) следует решать при условии максимизации функции цели:Решение неравенств (5) дает векторы коэффициентов , соответствующие заданным и. Коэффициенты ,соотношения (2), определяются по известным корням уравнений [5]: