Предварительный видеоусилитель с противошумовой коррекцией

Предварительный усилитель телевизионной передающей камеры предназначен для усиления слабого сигнала U _c с выхода ПСС до уровня ~1 В и обеспечения при этом достаточно высокого отношения сигнал/шум Ψ на выходе усилителя; при этом для вычисления Ψ можно использовать известную формулу

, (4.26)

где Ψ _ТР – отношение сигнал/шум на выходе трубки (ПСС);

Ψ _УС – отношение сигнал/шум на выходе усилителя, если допустить, что на его вход поступает незашумленный сигнал.

Для видикона, например, при токе сигнала i _c =0, 05÷ 0, 3 мкА отношение сигнал/шум Ψ _ТР, вычисляемое по формуле (4.13), составляет Ψ _ТР =162÷ 394. Заметность шума на ТВ изображении характеризуется данными, приведенными в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Заметность шума на изображении	Ψ
Не влияет на качество	≥ 200
Едва заметен	100÷ 300
Допустимое зашумление	30÷ 100

Международный консультативный комитет по радио (МККР) рекомендует в качестве допустимого значения Ψ, обеспечивающего хорошее качество изображения,

Ψ =80 (или 38 дБ).

Величина Ψ _УС, характеризующая шумовые свойства усилителя, находится из выражения (4.26):

(4.27)

Подставляя в формулу (4.27) Ψ =80, Ψ _ТР =162÷ 394, получим:

Ψ _УС ≥ 92, 5÷ 83, 3.

Приведенный численный пример позволяет сделать принципиальный вывод: если ПСС имеет малый ток сигнала i _c (порядка 0, 1 мкА) с высоким отношением сигнал/шум Ψ _ТР (порядка 200), то отношение сигнал/шум Ψ в телевизионном канале определяется в основном шумовыми характеристиками предварительного видеоусилителя, т.е.

Ψ @ Ψ _УС. (4.28)

Одним из эффективных способов уменьшения внутренних шумов предварительного усилителя является противошумовая коррекция, предложенная отечественным ученым Г.В. Брауде в 1933 г. Для изучения принципа противошумовой коррекции и вывода формулы для расчета Ψ _УС рассмотрим входную цепь предварительного видеоусилителя (рисунок 4.13), состоящую из резистора нагрузки R _н и паразитной емкости C _н, образованной емкостью монтажа, входной емкостью активного элемента (полевого транзистора) первого каскада усилителя и выходной емкостью ПСС (например, видикона).

Рисунок 4.13 – Входная цепь предварительного видеоусилителя

Напряжение сигнала U _c на входе усилителя вычисляется по очевидной формуле

U _c = i _c R _н, (4.28)

которая справедлива при выполнении условия

1/(2π f _в C _н) > > R _н, (4.29)

когда можно пренебречь амплитудно-частотными искажениями сигнала во входной цепи.

Если коэффициент усиления первого каскада равен 5÷ 10, то уровень шумов, вносимых усилителем, определяется дробовыми шумами первого каскада и тепловыми шумами резистора нагрузки R _н. Дисперсия шумов, приведенных ко входу усилителя, вычисляется по формуле

=4kT f _в (R _н +R _ш), (4.30)

где k= Дж/К – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура (300 K);

R _ш – эквивалентное шумовое сопротивление усилительного элемента первого каскада.

В случае полевого транзистора R _ш вычисляется по формуле

R _ш = , (4.31)

где S – крутизна транзистора.

Для некорректированного (без противошумовой коррекции) усилителя с учетом выражений (4.28) и (4.30) имеем:

(4.32)

Из выражения (4.32) видно, что Ψ _УС увеличивается пропорционально . На этом и основан принцип простой противошумовой коррекции. Преобразователь свет-сигнал обычно можно рассматривать как генератор тока с большим внутренним сопротивлением R _i > > R _н. При этом можно считать, что ток сигнала i _c не зависит от величины R _н и, следовательно, увеличивая R _н, мы добиваемся увеличения амплитуды тока на входе усилителя и тем самым уменьшаем влияние тепловых и дробовых шумов предварительного видеоусилителя. При простой противошумовой коррекции сопротивление резистора R _н выбирается большой величины (порядка 10 ⁵ Ом), при которой условие (4.29) не соблюдается. Это означает, что входная параллельная цепочка R _н C _н ведет себя по отношению к генератору тока (ПСС) как интегрирующая цепь с коэффициентом передачи

. (4.33)

Для того, чтобы скомпенсировать искажения спектра сигнала во входной цепи, АЧХ видеоусилителя должна иметь вид

, (4.34)

где K ₀ – коэффициент усиления на нижних частотах. Очевидно, что результирующий коэффициент передачи предварительного видеоусилителя с учетом входной цепи равен

,

т.е. не зависит от частоты (в пределах полосы пропускания до f _в).

Выражение для Ψ _УС, выведенное для усилителя с простой противошумовой коррекцией и учитывающее неравномерность (4.34) частотной характеристики усилителя, имеет вид

(4.35)

Сравнение выражений (4.32) и (4.35) показывает, что рост Ψ _УС с увеличением R _н замедляется за счет неравномерности АЧХ усилителя (выражение (4.34)) и относительного увеличения высокочастотных компонент дробового шума на выходе усилителя. Если в выражении (4.35) принять R _н → ∞, то получим выражение для предельного значения Ψ _УС на выходе предварительного видеоусилителя с простой противошумовой коррекцией:

(4.36)

Из полученного выражения видно, что для улучшения шумовых свойств усилителя необходимо уменьшать R _ш и C _н. На рисунке 4.14 показана структура усилителя с простой противошумовой коррекцией. Искажения сигнала во входной цепи корректируются так называемым дифференцирующим каскадом с частотной характеристикой типа (4.34).

 

 

Рисунок 4.14 – Структура предварительного видеоусилителя с простой противошумовой коррекцией

Этот каскад занимает в усилителе такое место, чтобы уровень сигнала на его выходе не менее, чем на порядок, превышал уровень входного сигнала усилителя. Тогда шумы последующих каскадов не будут влиять на результирующе значение Ψ _УС.