Беседа двенадцатая СЛАБЫЙ СИГНАЛ ДА БУДЕТ СИЛЬНЫМ

Беседа двенадцатая

СЛАБЫЙ СИГНАЛ ДА БУДЕТ СИЛЬНЫМ

Усилить и продетектировать принятый сигнал в телевидении — значительно более трудная задача, чем в радиовещании. Высокая частота и значительная ширина боковых полос в большой степени изменяют постановку задачи. Подойдя вплотную к систематическому изучению приемника, наши приятели рассмотрят в этой беседе элементы, относящиеся к высокой частоте, включая преобразователь и усилитель промежуточной частоты. В результате будут обсуждены: усиление и избирательность; необходимость большого количества каскадов усиления высокой частоты; шумы в телевидении; их уменьшение в результате предварительного усиления по высокой частоте; подавление зеркального сигнала; соотношение L/C в настроенных контурах; настройка катушек без сердечника, а также с ферромагнитным и медным сердечниками; шунтирующий резистор; цепи развязки; метод взаимно расстроенных контуров; контраст; преобразование частоты; генератор Колпитца; разделение звука и изображения.

ХОРОШИ ПЛОХИЕ КОНТУРЫ

Незнайкин. — Последний раз мы рассмотрели в самых общих чертах устройство телевизионного приемника, будь то с прямым усилением или с преобразованием частоты. Насколько я тебя знаю, Любознайкин, ты меня сегодня проведешь за руку по различным его элементам.

Любознайкин. — Было бы нехорошо с моей стороны обмануть твои ожидания. Если хочешь, рассмотрим цепь между антенной и электронно-лучевой трубкой, предназначенную для усиления сигнала, не затрагивая схемы синхронизации и питания.

Н. — Таким образом, нас интересуют в настоящий момент усиление высокой частоты, детектирование, затем усиление видеочастоты в случае приемника с прямым усилением. И, если речь идет о супергетеродине, мы должны будем изучить усиление высокой частоты, преобразование частоты, усиление промежуточной частоты, детектирование и усиление видеочастоты. По сравнению с радио имеется лишь одно различие: вместо низкой частоты мы имеем дело с видеочастотой.

Л. — Чтобы я больше никогда не слышал таких слов от тебя! Как ты можешь сравнивать радиовещание с боковыми полосами в десяток килогерц с телевидением, где полоса видеочастот составляет несколько мегагерц! Это в корне меняет принцип построения контуров.

Н. — Очевидно, речь не может идти о том, чтобы они были столь же избирательными, как и радио! Вот уж по крайней мере одной трудностью меньше.

Л. — Какое заблуждение! Если в проблеме приема в радиовещании господствует борьба между избирательностью и качеством, то в телевидении мы сталкиваемся с не менее острой борьбой между усилением и избирательностью.

Н. — Если я правильно понял, нам нужны контуры с очень малой избирательностью, чтобы они могли пропустить очень широкую полосу частот. Как подумаю, какими заботами приходится окружать контуры в радио, чтобы получить избирательность, мне начинает казаться, что не так уж трудно ее уменьшить. Вероятно, достаточно применить для этого плохие контуры.

Л. — Это верно. Но, к несчастью, плохие контуры не дают возможности получить высокое усиление. В то же время мы стараемся добиться прежде всего, чтобы на трубку был подан видеосигнал в несколько десятков вольт при напряжении высокой частоты на входе часто ниже милливольта. Это значит, что общее усиление напряжения должно быть порядка 50 000.

Н. — Значит, именно поэтому в телевидении используется такое большое количество каскадов усиления?

Л. — Само собой разумеется.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛЕНИЯ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Н. — В общем, в телевизоре с преобразованием частоты может быть несколько каскадов усиления высокой частоты, несколько каскадов промежуточной частоты и, наконец, еще несколько каскадов видеоусиления.

Л. — Больше двух каскадов видеоусиления применяют редко. Обычным является применение одного каскада высокой и трех-четырех каскадов промежуточной частоты. Впрочем, в их устройстве мало различия. Понимаешь, Незнайкин, когда каскады промежуточной частоты настраиваются на частоты выше 10 Мгц, они практически не отличаются от каскадов высокой частоты. Вот почему мы можем изучать их одновременно.

Н. — В таком случае я не вижу смысла в распределении усиления между каскадами высокой и промежуточной частоты. Не все ли равно, если применить супергетеродин с пятью каскадами промежуточной частоты.

Л. — В дополнение к тому, что их усиление было бы невелико, вереница таких каскадов могла бы стать местом возникновения самовозбуждения. Распределяя усиление между двумя цепочками каскадов, настроенных на разные частоты, мы уменьшаем возможность появления такой опасности. Предварительное усиление высокой частоты обладает, впрочем, и другими преимуществами. Оно дает возможность уменьшить отношение шума к сигналу.

Н. — О каком шуме может идти речь в приемнике изображений?

Л. — Прошу прощения за употребления термина, который имеет смысл только в радиовещании. Там называют так неоднородность усиленного тока (флуктуации), проявляющуюся в виде шипящего шума, особенно различимого при отсутствии передачи. Причиной шума могут явиться тепловые флуктуации в сопротивлениях и колебательных контурах, а также неравномерность электронной эмиссии катодов.

Н. — Но ведь этот твой «шум» в телевидении не слышен!

Л. — Да, но зато он виден. Флуктуации усиленного напряжения, поданного на управляющий электрод трубки, добавляют к нормальным изменениям световой интенсивности пятна быструю паразитную модуляцию и создают то, что можно назвать «зерном изображения» (по аналогии с зернами фотографической эмульсии, которые становятся различимыми при большом увеличении).

Н. — Так, значит, предварительное усиление высокой частоты уменьшает этот «шум» изображений?

Л. — Да, так же как в радиоприемнике оно уменьшает звуковой шум… И этим не ограничивается польза высокой частоты усилительных каскадов, включенных перед преобразователем частоты. Они уменьшают паразитное излучение гетеродина приемника через антенну и соответственно помеху соседним приемникам. Наконец, несмотря на малую избирательность, они уменьшают опасную интерференцию с соседними частотами.

Н. — Но при небольшом числе телевизионных передатчиков эта опасность не угрожает.

Л. — Количество телевизионных передатчиков уже достаточно велико. Кроме того, может происходить интерференция на зеркальных частотах.

Н. — Я припоминаю, что так называются частоты, расположенные относительно частоты гетеродина симметрично частоте принимаемого передатчика.

Л. — Какая прекрасная память! Ну так вот, если принимать сигнал с частотой 49,75 Мгц с гетеродином, настроенным на частоту 84 Мгц, чтобы получить промежуточную частоту 84–49,75 = 34,25 Мгц, то сигнал с частотой 118,25 Мгц даст в результате биений с тем же гетеродином промежуточную частоту 118,25–84 = 34,25 Мгц.

Н. — Так как сигнал с частотой 118,25 Мгц соответствует длине волны 2,54 м, мы оказываемся целиком в области метровых радиоволн.

Л. — Теперь ты видишь, какую опасность устраняют, используя избирательность каскадов высокой частоты, которые не пропустят сигнал с частотой, столь удаленной от частоты их настройки.

СХЕМА С НЕВИДИМЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Н. — Ты мог бы начертить схему каскада усилителя высокой частоты?

Л. — Вот схема (рис. 77), которую используют как перед преобразованием частоты, так и в приемниках с прямым усилением. Здесь применена классическая связь с помощью настроенного контура в анодной цепи.

Рис. 77. Типовой каскад усиления высокой частоты.

Н. — Ты опять издеваешься надо мною, Любознайкин? Уж не хочешь ли ты заставить меня поверить, что катушка L₃ с сопротивлением R₅ составляют колебательный контур?!

Л. — Разве нам уже не приходилось говорить о «невидимых» элементах, которые участвуют в схемах в неявном виде? Это относится и к емкости, образующей настроенный контур с обмоткой L₃. Она состоит из суммы всех паразитных емкостей, включенных параллельно этой обмотке: ее собственной распределенной емкости, емкости монтажа, междуэлектродных емкостей ламп.

Н. — Но почему же не используют настоящий конденсатор, как в любом уважающем себя колебательном контуре?

Л. — Потому что для получения мало-мальски приемлемого усиления нужно иметь контур с большой индуктивностью и насколько возможно малой емкостью. С этой целью мараются осуществить достаточно свободный монтаж с очень короткими соединениями, так чтобы уменьшить паразитные емкости.

Н. — А катушка L₂ также является настроенным контуром?

Л. — Да, так же как и L₃. На нашей схеме к тому же она индуктивно связана с антенной катушкой L₁.

Н. — Но как же практически настраивать такие колебательные контуры, еcли нет конденсаторов переменной емкости?

Л. — Изменяя их индуктивность. Обмотки без сердечника для таких высоких частот состоят из нескольких витков жесткой проволоки, образующих соленоид. Достаточно слегка сблизить или раздвинуть эти витки, чтобы увеличить или уменьшить индуктивность. Но применяют также сердечники из порошкообразного железа или меди.

Н. — Ферромагнитные сердечники мне уже знакомы, так как их употребляют также и в радио. Но медь ведь не магнитный металл, и я не понимаю, каким образом ее присутствие может изменить индуктивность обмотки.

Л. — Медный сердечник действует благодаря токам, которые индуктируются в его массе. Эти так называемые вихревые токи, или токи Фуко, создают магнитное поле, обратное магнитному полю катушек индуктивности. Все, следовательно, происходит так, как если бы индуктивность обмотки была меньше, чем в отсутствие медного сердечника.

Н. — Это мне напоминает мое посещение Пещеры разбойников…

Л. — Признаюсь, что связь мне непонятна.

Н. — Когда я отправился в эту пресловутую пещеру, я не чувствовал себя вполне спокойно. И вот, чтобы придать себе храбрости, я начал кричать. К несчастью, мне ответило эхо. И это меня так напугало, что я удрал оттуда, что было мочи.

Л. — Да, действительно, между вихревыми токами и твоим эхо существует некоторое сходство. Следует отметить, что действие сердечников из проводников (меди или латуни, например) совершенно противоположно действию магнитных сердечников, которые увеличивают индуктивность обмоток.

Н. — Однако мне кажется, существует практическая трудность. Как регулировать положение этих сердечников, чтобы настроить контур на желаемую частоту? Ведь если перемещать их вперед или назад внутри обмотки при помощи отвертки, присутствие ее стального стержня полностью изменит настройку.

Л. — Очень дельное замечание. Потому-то регулировка выполняется с помощью отвертки из изолирующего материала.

Н. — Можешь отметить, что ничто не ускользает от моего внимания. Но вернемся к нашей схеме. Параллельно колебательным контурам L₂ и L₃ ты включил резисторы R₁ и R₅. Надеюсь, что они имеют достаточно большое сопротивление. В противном случае они поглотят добрую часть энергии колебательных контуров.

Л. — Нет, Незнайкин, эти резисторы сравнительно небольшого сопротивления, в среднем что-нибудь около 2 000 ом. И, как ты очень правильно заметил, они поглощают энергию колебательных контуров. Происходит то, что в технике называют увеличением затухания контура. И именно увеличением затухания добиваются более плоской кривой избирательности, чтобы расширить полосу пропускания.

Н. — Ты меня очень этим огорчаешь. В силу необходимости пропустить все модуляционные частоты приходится жертвовать и так уже ничтожными частицами высокой частоты, собранными в колебательных контурах. И что же с этой энергией делают? Рассеивают в виде тепла в шунтирующих резисторах!

Этот способ обогревать помещения — неслыханное расточительство!

Л. — Увы, мы вынуждены так поступать. Теперь тебе понятно, почему усиление такого каскада невелико. Чтобы увеличить его, приходится применять лампы с большой крутизной.^{1} К счастью, существуют пентоды с крутизной, достигающей 10 ма/в, которые благодаря этому дают возможность обеспечить приемлемое усиление.

ПРОБЛЕМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Н. — В схеме, которую ты начертил, я вижу кое-что необычное. Ты всегда вычерчиваешь все вертикальные и горизонтальные соединения при помощи рейсшины и угольника. Но здесь имеется живописный пучок наклонных линий, сходящихся в одной точки шасси. Почему это?

Л. — Изобразив так все присоединения одного и того же каскада к минусу высокого напряжения, я хотел подчеркнуть необходимость особенно внимательно следить за устранением паразитных связей через общие цепи, намечая для переменных составляющих токов самые короткие пути. Обычай, распространенный при монтаже радиоприемников, присоединять к самым различным точкам шасси цепи, идущие к отрицательному полюсу источника высокого напряжения, в телевидении не может иметь места. Здесь переменные составляющие должны немедленно замыкаться в каждой цепи так, чтобы не было общих путей для токов различных каскадов в массе шасси. В противном случае — берегись самовозбуждения!

Н. — И верно, я вижу, что экранирующая сотка лампы развязана с помощью R₃ и С₃, анодная цепь — с помощью R₄ и С₄ и что переменные составляющие через конденсаторы С₃ и С₄ соединяются в общей точке Р, откуда через развязывающий конденсатор С₂, блокирующий резистор смещения R₂, они возвращаются к катоду.

Л. — По правде сказать, развязка была бы эффективнее, если бы С₃ и С₄ были присоединены прямо к катоду. Но монтаж легче производить, используя метод общих точек, специально выбранных в каждом каскаде. Таким образом, Р в нашей схеме — общая точка заземления первого каскада.

Н. — Что же, теперь всегда нужно будет чертить таким образом телевизионные схемы?

Л. — В этом нет необходимости, если изложенный мною принцип уже известен и принят. Так, например, на рис. 78 и 79 я рисую обычным способом два других варианта схемы каскада высокой или промежуточной частоты.

Рис. 78. Емкостная связь с настроенным контуром в цепи сетки.

Рис. 79. Трансформаторная связь с настроенными первичной и вторичной обмотками.

Н. — Я без труда узнаю схему с настроенным контуром в цепи сетки (совершенно эквивалентную той, которую мы только что рассмотрели) и связь через трансформатор с настроенными первичной и вторичной обмотками. Стой, стой! Здесь у тебя фигурирует конденсатор настройки.

Л. — Да, потому что такая схема иногда используется в усилителе промежуточной частоты, где можно допустить использование небольших подстроечных конденсаторов.

Н. — Схема со связанными контурами, вероятно, имеет то преимущество, что улучшает избирательность всего устройства.

МНОГОГОРБЫЙ ВЕРБЛЮД

Л. — Бедный Незнайкин, ты продолжаешь думать и выражаться, как добропорядочный радиотехник. Но телевидение относится к радио так же, как радио к сильным токам. Нужно совершенно переменить способ мышления. «Улучшение избирательности», как ты мило выразился, для наг настоящее бедствие. А увеличение числа настроенных контуров ведет нас к этому самым роковым образом. Чтобы лучше тебя в этом убедить, я изобразил (рис. 80) кривую избирательности одного контура совместно с кривыми для двух, трех, четырех и пяти таких же контуров. Полоса пропускания становится, как видишь, все более и более узкой, а места для прохождения частот видеомодуляции — все меньшими и меньшими.

Рис. 80. Результирующие кривые избирательности 1, 2, 3, 4 и 5 контуров, настроенных на одну и ту же частоту f₀.

Н. — Это ужасно! Но раз ты демонстрируешь мне эту тягостную картину, я знаю, что у тебя есть в запасе какое-нибудь радикальное лекарство. Ну, называй же поскорее панацею.

Л. — Сместить настройку контуров (рис. 81)!

Рис. 81. Метод взаимно расстроенных контуров. Внизу — кривая каждого из пяти используемых контуров, вверху — результирующая кривая.

Н. — Как? Не настраивать цепи на одну и ту же среднюю частоту спектра модулирующих частот? Сделать сознательно то, что делают, не желая этого, плохие регулировщики радиоприемников?

Л. — Вот именно. Распределяя соответствующим образом частоты настройки различных колебательных контуров, получают общую кривую избирательности, значительно приближающуюся к идеальной. Конечно, усиление от этого слегка уменьшается, но, не разбив яиц, не изжаришь яичницы.

Н. — Твои смещенные кривые напоминают мне, как в детстве мы с товарищами играли в верблюдов, становясь гуськом друг за другом и накрывшись простыней. Полученное таким образом весьма подвижное фантастическое животное очень походило на твою результирующую кривую… Практически так поступают только в усилителе высокой частоты?

Л. — Нет. Настройку контуров промежуточной частоты с таким же успехом смещают, как и настройку контуров высокой частоты. Действие этих расстроек складывается таким образом, что получается желаемая кривая.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И КОНТРАСТ

Н. — Мой вопрос покажется тебе, быть может, наивным. Но я хотел бы знать, имеет ли усилитель высокой или промежуточной частоты постоянный коэффициент усиления или же есть ручка, дающая возможность его регулировать.

Л. — Очень часто его делают регулируемым. Для этого применяют один из обычных способов, как, например, изменение потенциала первой сетки пентодов или, еще проще, изменение смещения путем регулировки катодного сопротивления.

Н. — А каково действие регулировки чувствительности? Я полагаю, что оно проявляется в виде большей или меньшей яркости изображения. Так же как в радиоприемнике, где звук можно сделать более или менее сильным, изображение будет становиться более или менее ярким.

Л. — Ты очень сильно ошибаешься, Незнайкин. Средняя яркость дозируется простым изменением смещения на трубке.

Впрочем, мы об этом поговорим позже. Регулировка же чувствительности изменяет амплитуду напряжения на управляющем электроде (или катоде) трубки. Когда амплитуда невелика…

Н. — …изменения яркости пятна незначительны.

Л. — Очевидно. И, напротив, когда напряжение на управляющем электроде трубки сильно изменяется, пятно проходит через весь диапазон яркостей, начиная от самого сильного свечения, на какое способна трубка, до полного гашения луча.

Н. — Следовательно, в первом случае получают совсем серое изображение, тогда как во втором оно очень контрастно. Это, как фотоснимки, отпечатанные на «мягкой» или «жесткой» (контрастной) бумаге.

Л. — Сравнение вполне правильное. И ты не удивишься, узнав, что в телевизионном приемнике регулировка чувствительности носит гораздо более определенное название «регулировки контраста».

Н. — Мне кажется, что эта регулировка может с одинаковым успехом применяться в усилителях высокой и промежуточной частоты.

ОТ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ К ПРОМЕЖУТОЧНОЙ

Л. — Конечно. Можно даже применять ее между этими усилителями в смесительной лампе в случае преобразования частоты двумя лампами.

Н. — А дает ли преимущество использование двухлампового преобразователя в телевидении?

Л. — Без всякого сомнения. При этом иногда используется то же устройство, что и в радиовещании, с двойной лампой типа триод-гексод или триод-гептод. Но усиление, получаемое с таким преобразователем частоты, весьма незначительно. Поэтому во многих приемниках предпочитают использовать в качестве смесителя пентод с большой крутизной; колебания гетеродина, генерируемые отдельным триодом, подаются либо на третью сетку пентода, либо на его первую сетку совместно с предварительно усиленным сигналом высокой частоты. В качестве примера рассмотрим схемы обоих типов преобразователей частоты с одной и двумя лампами (рис. 82 и 83). В случае приема по методу биения несущих частот отпала бы необходимость в трансформаторе промежуточной частоты звука.

Рис. 82. Преобразователь частоты на триод-гексоде.

Рис. 83. Преобразование частоты с помощью двух ламп.

Н. — В обеих схемах я узнаю обычные элементы: катодное смещение, созданное при помощи резистора R₁, развязанного конденсатором C₁; напряжение экранирующей сетки определяется сопротивлением резистора R₅, развязанного конденсатором С₅; анодное напряжение подается на гетеродин через резисторы из и R₄ с развязкой С₄; анодная развязка смесителя — R₆ и С₆.

В преобразователе с одной лампой я без труда узнаю схему Хартли. Отвод от средней точки контурной катушки так характерен! Но что это за генератор, который ты применил в схеме с отдельным триодом? Я вижу индуктивность L без всякого отвода.

Л. — Ее называют схемой Колпитца, и она также с отводом. Но только он сделан не от катушки, а от емкости контура. Видишь, емкость состоит из двух конденсаторов С₈ и С₉. Общая точка их соединения составляет «электрическую середину» общей емкости. Эта точка присоединена к катоду. Схема эквивалентна схеме Хартли, а ее ты знаешь хорошо.

Н. — И, конечно, емкости С₈ и С₉ должны быть незначительными?

Л. — Настолько, что их часто просто не ставят.

Н. — Но тогда?!..

Л. — Все прекрасно работает, потому что роль конденсатора С₈ берет на себя паразитная емкость анод — катод лампы, а емкость сетка — катод заменяет конденсатор С₉.

ЗВУК БЕЗ ИЗОБРАЖЕНИЯ И ИЗОБРАЖЕНИЕ БЕЗ ЗВУКА

Н. — В общем, телевидение дает возможность успешно использовать сами недостатки ламп, т. е. их междуэлектродные емкости… Однако я хочу вернуться к твоим схемам, чтобы отметить, что в анодной цепи смесителя ты последовательно включаешь два трансформатора промежуточной частоты. Один из них (Тр₁) настроен на промежуточную частоту изображения, а другой (Tp₂) — на промежуточную частоту звука. Почему у последнего нет шунтирующих сопротивлений?

Л. — Потому что контуры промежуточной частоты звука должны быть избирательными, следовательно, не должны иметь такого затухания, как контуры промежуточной частоты изображения. Поэтому можно создавать контуры с «реальными» конденсаторами.

Н. — Разве это единственный способ разделить напряжения промежуточной частоты звука и изображения?

Л. — Нет. Это можно осуществить разными способами. Вместо связи через трансформаторы с настроенными первичной и вторичной обмотками часто используют (рис. 84) связь с помощью анодных настроенных контуров L₁ для промежуточной частоты изображения и L₂C₂ для промежуточной частоты звука через конденсаторы C₁ и С₄, ведущие к сеткам ламп усилителей промежуточной частоты канала изображения и канала звука.

Рис. 84. Разделение сигналов звука и изображения в анодной цепи преобразователя частоты.

Можно также подать обе составляющие промежуточной частоты на сетку одной лампы и осуществить разделение с помощью контура L₃C₃, настроенного на промежуточную частоту звука и включенного в катод (рис. 85).

Рис. 85. Разделение сигналов звука и изображения с помощью избирательной отрицательной обратной связи в катодной цепи первой лампы усилителя промежуточной частоты.

Н. — Не представляю себе, как все это будет действовать.

Л. — Но ты ведь знаешь, что настроенный таким образом контур легко пропускает токи всех частот…

Н. — …кроме той, на которую он настроен. Ты уже давным-давно научил меня тому, как ведет себя параллельный резонансный контур.

Л. — Чудесно. Теперь ты понимаешь, что для всех сигналов, кроме сигнала промежуточной частоты звука, смещение определяется только сопротивлением R₁, которое дает возможность получить максимальное усиление. Так обстоит дело, в частности, для напряжения промежуточной частоты изображения, которое получают соответствующим образом усиленное в анодной цепи.

Н. — Я угадываю дальнейший ход рассуждения. Дело обстоит неважно для напряжения промежуточной частоты звука, так как для него контур L₃C₃ добавляет большое резонансное сопротивление к сопротивлению резистора R₁. Следствием этого является значительное уменьшение усиления для этой злосчастной частоты.

Л. — Совершенно верно. Она будет таким образом практически исключена из анодной цепи. Благодаря же конденсатору С₄ можно подвести к сетке лампы усилителя промежуточной частоты звука напряжение, предварительно усиленное колебательным контуром L₃C₃.

Н. — Разве здесь не имеет место явление отрицательной обратной связи?

Л. — Да, конечно, и даже более того, явление избирательной отрицательной обратной связи.

Н. — Все это мне кажется дьявольски сложным!

Л. — Просто ты еще не совсем освоился с этими методами. На самом деле все это очень просто. Избирательная отрицательная обратная связь часто используется для подавления данной частоты.