Электроника изучает принцип действия, устройство и применение электронных, ионных и полупроводниковых приборов.
Электронными называются приборы, в которых явление тока связано с движением только электронов при наличии в приборах высокого вакуума, исключающего возможность столкновения электронов с атомами газа. К этой группе приборов относятся, например, двух- и трехэлектродные лампы, некоторые фотоэлементы, электроннолучевые трубки и др.
Электронные приборы применяются в выпрямителях, усилителях, генераторах, приемных устройствах высокой частоты, а также в автоматике, телемеханике, измерительной и вычислительной технике.
Ионными называются приборы, в которых явление тока обусловлено движением электронов и ионов, полученных при ионизации газа или паров ртути электронами. К ним относятся газотроны, тиратроны, ртутные вентили и др.
Ионные приборы отличаются от электронных значительной инерционностью процессов, обусловленных огромной массой иона по сравнению с массой электрона, поэтому ионные приборы применяются в установках с частотой, не превышающей несколько килогерц - в выпрямителях средней и большой мощности в схемах автоматического управления механизмами и др.
Полупроводниковыми называются приборы, в которых ток создается в твердом теле движением электронов и «дырок», и используются свойства полупроводников.
В последние годы резко возросло применение полупроводниковых приборов вследствие ряда преимуществ их перед электронными и ионными приборами. Главные из них: малый расход энергии, малые размеры, масса и стоимость, значительная механическая прочность, большой срок службы и простота эксплуатации. В ряде областей радиотехники, энергетики, автоматики, телемеханики и вычислительной техники полупроводниковые приборы с успехом заменяют электронные и ионные приборы.
Еще в 19 веке был открыт ряд физических явлений, природа которых обусловлена взаимодействием свободных электронов с электромагнитным полем и веществом. Такие явления получили названия электромагнитных. К ним относятся:
– испускание электронов накаленным телом – термоэлектронная эмиссия;
– испускание электронов веществом под воздействием фотонов (фотоэффект);
– испускание фотонов веществом под воздействием электронов (люминесценция);
– зависимость электронной проводимости цепи, состоящей из накаленного и ненакаленного электродов, разделенных вакуумным промежутком, от направления тока;
– ионизация разреженного газа при прохождении потока быстро движущихся электронов, сопровождающаяся резким увеличением электрической проводимости среды;
– наличие двух типов электропроводности полупроводника (электронной и дырочной), в зависимости от преобладания того или другого вида носителей заряда (электронов или дырок);
Перечисленные и многие другие электронные явления хорошо изучены и имеют практическое применение. Приборы, принцип действия которых основан на физических явлениях, связанных с движением электрически заряженных частиц в вакууме, газе или в твердом теле, называются электронными. Область науки и техники, которая занимается изучением и разработкой электронных приборов и устройств, называется электроникой.
Наиболее общим классификационным признаком является рабочая среда, в которой протекают основные физические процессы в приборе. Таким образом, различают электровакуумные, ионные (газоразрядные) и полупроводниковые приборы.
В электровакуумных приборах рабочее пространство изолировано от окружающей среды газонепроницаемой оболочкой – баллоном. Электрические процессы в этих приборах протекают в среде высокоразреженного газа с давлением порядка 10-6 мм рт. ст. К электровакуумным приборам относятся электронные лампы, электронно-лучевые, фотоэлектронные и сверхвысокочастотные приборы.
Ионными (газоразрядными) называют приборы, баллоны которых наполнены инертными газами (аргоном, неоном, криптоном и др.), их смесью, водородом или парами ртути. Давление газа в баллоне не велико: 10-10-5 мм рт. ст. Заполнение приборов газом позволяет пропустить через них значительно больший ток, чем это возможно в электровакуумном приборе при той же потребляемой мощности, что объясняется малым внутренним сопротивлением прибора, а следовательно, малым падением напряжения между анодом и катодом.
Конструкция и назначение ионных приборов весьма разнообразны. Большинство их типов применяется для выпрямления переменного тока (газотроны, игнитроны, тиристоры, ртутные вентили и др.). Используются они также для стабилизации постоянных напряжений (стабилитроны), в качестве электронных реле, переключающих устройств (ионные разрядники).
Наиболее общие функции, выполняемые электронными приборами, состоят в преобразовании информационных сигналов или энергии.
Само название «электронные приборы» указывает на то, что все процессы преобразования сигналов и энергии происходят либо за счёт движения электронов, либо при их непосредственном участии. Основными задачами электронного прибора как преобразователя информационных сигналов являются: усиление, генерирование, передача, накопление и хранение сигналов, а также выделение их на фоне шумов.
Электронные приборы можно классифицировать по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивнотехнологическим признакам, роду рабочей среды и т.д.
В зависимости от вида сигналов и способа обработки информации все существующие электронные приборы разделяют на электропреобразовательные, электросветовые, фотоэлектрические, термоэлектрические, акустоэлектрические и механоэлектрические.
Электропреобразовательные приборы представляют самую большую
группу электронных приборов. К ним относят различные типы диодов и транзисторов, тиристоры, газоразрядные, электровакуумные приборы.
К электросветовым относят светодиоды, люминесцентные конденсаторы, лазеры, электронно-лучевые трубки.
К фотоэлектрическим – фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, солнечные батареи.
К термоэлектрическим – полупроводниковые диоды, транзисторы, термисторы.
Акустоэлектрические усилители, генераторы, фильтры, линии задержки на поверхностных акустических волнах относятся к акустическим приборам. В последнее время на стыке электроники и оптики сформировалась новая область техники – оптоэлектроника, привлекающая для решения задач формирования, хранения и обработки сигналов методы электроники и оптики.
В зависимости от выполняемых функций и назначения электронные приборы делят на выпрямительные, усилительные, генераторные, переключательные, индикаторные и др.
По диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные; по мощности – малой мощности, средней мощности и мощные.
Понятие режима электронного прибора включает в себя совокупность условий, определяющих его работу. Любой режим определяется совокупностью параметров. Различают электрический, механический, климатический режимы. Каждый из указанных режимов характеризуется своими параметрами. Оптимальные условия работы прибора при эксплуатации, испытаниях или измерениях его параметров определяются номинальным режимом.
Предельные параметры характеризуют предельно допустимые режимы работы. К ним относятся максимально допустимые значения напряжений на электродах прибора, максимально допустимая мощность, рассеиваемая прибором, и т.д. Различают статический и динамический режимы. Если прибор работает при постоянных значениях напряжений на электродах, такой режим называется статическим. В этом случае все параметры не меняются во времени. Режим работы прибора, при котором напряжение хотя бы на одном из электродов меняется во времени, называется динамическим.
Кроме параметров режима, различают параметры электронного прибора (например, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, междуэлектродные ёмкости и др.). Связь между изменениями токов и напряжений на электродах в статическом режиме описывается статическими характеристиками. Совокупность статических характеристик при фиксированных значениях третьего параметра называют семейством характеристик.
Тема 2. Физические явления полупроводниковой электроники
Полупроводниками в физике принято называть материалы с удельным сопротивлением r = 10 3 - 10 9 Ом×см, в отличие от проводников (металлов), которые имеют r < 10 4 Ом×см, и диэлектриков - материалов с r >10 10 Ом×см.
Полупроводники имеют собственную электропроводность, которая называется примесной при внесении примеси. Внося различные примеси, можно сформировать полупроводники с заданными свойствами.
В основе работы большинства полупроводниковых приборов и активных элементов интегральных микросхем лежит использование электрических переходов, общим свойством которых является наличие потенциального барьера на границе между полупроводниками. Полупроводники могут отличаться по типу проводимости (p или n), или иметь различные физические характеристики, например:
Электрический переход – переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости (одна из областей может быть металлом).
В зависимости от функционального назначения, уровня требуемых электрических параметров в диодах используются следующие типы выпрямляющих и омических электрических переходов.
Выпрямляющий переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока больше, чем при другом.
Омический переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого не зависит от направления тока в заданном диапазоне значений токов.
Электронно-дырочный переход (p-n-переход ) – электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-типа.
Гетерогенный переход (гетеропереход ) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.
Гомогенный переход (гомопереход ) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с одинаковой шириной запрещенной зоны.
Переход Шотки – электрический переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником.
Электронно-электронный переход (n-n + -переход ) – электрический переход между двумя областями полупроводника n-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости.
Дырочно-дырочный переход (p-p + -переход ) – электрический переход между двумя областями полупроводника p-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости. Знак «+» условно обозначает область с более высокой удельной электрической проводимостью
Формирование электронно-дырочного перехода происходит при контакте полупроводников без подачи внешнего напряжения. Атомы примесной проводимости, расположенные вдоль границ раздела жестко связаны с кристаллической решеткой и неподвижны.
Вследствие этого, диффузионный ток, между областями, образующийся в момент контакта, осуществит перенос электронов с внешних электронных оболочек атомов в в области n на незаполненные внешние оболочки атомов примеси в области p типа. Этот процесс можно рассматривать, как мгновенную ионизацию всех приграничных атомов примеси по обе стороны границы раздела, что приведет к образованию двух приграничных заряженных слоев противоположного знака по отношению к примесной проводимости в каждой из областей.
Эти дваприграничных слоя и образуют область электронно-дырочного перехода, обедненного основными носителями. Поле, образованное р-п переходом, направлено против основного поля, образованного исходными атомами р – и п- проводимости, что вызывает образование тока дрейфа дырок и электронов, направленного противоположно исходному току диффузии. Возникает равновесное состояние, которое характеризуется некоторой величиной поля E, шириной р-п перехода w , емкостью C и контактной разностью потенциалов φк.
Такие переходы могут быть cимметричными и несимметричными. При симметричных переходах области полупроводника имеют одинаковую концентрацию примеси, а в несимметричных - разную (концентрации примесей различаются на несколько порядков - в тысячи и десятки тысяч раз).
Границы переходов могут быть плавными или резкими, причем при плавных переходах технологически трудно обеспечить качественные вентильные свойства, которые необходимы для нормальной работы диодов и транзисторов, поэтому резкость границы играет существенную роль; в резком переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной L .
При подаче внешнего напряжения для электронно-дырочного p-n-перехода характерны три состояния: равновесное; прямосмещенное); обратносмещенное).
Равновесное состояние p-n-перехода рассматривается при отсутствии напряжения на внешних зажимах. В этом случае потенциальный барьер, возникающий на границе двух областей, препятствует равномерному распределению носителей по всему объему полупроводника. Преодолеть этот барьер в состоянии лишь те основные носители, у которых достаточно энергии и они образуют через переход диффузионный ток I диф. Кроме того, в каждой области имеются неосновные носители, для которых поле p-n-перехода будет ускоряющим, эти носители образуют через переход
дрейфовый ток I др, который чаще называют тепловым или током насыщения I 0 . Суммарный ток через равновесный p-n-переход будет равен нулю:Свободное движение носителей через электронно-дырочный переход возможно при снижении потенциального барьера p-n-перехода. При этом происходит инжекция носителей заряда, т.е. их переход из области эмиттера в область базы в другую под действием внешнего напряжения. Область эмиттера легируется примесными атомами значительно сильнее, чем база. За счет разной концентрации примесных атомов в несимметричных переходах имеет место односторонняя инжекция: поток носителей из области с низкой концентрацией примесных атомов (из базы) очень слабый и им можно пренебречь.
При прямой полярности внешнего источника равновесное состояние перехода нарушается, так как поле этого источника, накладываясь на поле p-n-перехода, ослабляет его, запрещенная зона перехода уменьшается, потенциальный барьер снижается, сопротивление перехода резко уменьшается, диффузионная составляющая тока при этом возрастает в «е u / j t » раз и является функцией приложенного напряжения
где j t = kT/q - температурный потенциал (при комнатной температуре j t = 0,025В);
k - постоянная Больцмана;
T - температура;
q - заряд электрона.
Составляющая тока I о в идеализированном переходе при воздействии прямого внешнего напряжения остается практически без изменения. Следовательно, прямой результирующий ток через идеальный p-n-переход
(2.2.)
и окончательно
(2.3)
Уравнение (2.1) идеального p-n-перехода определяет основные вольтамперные характеристики полупроводниковых приборов.
При построении ВАХ перехода по (2.1) видно, что для идеального p-n-перехода при напряжениях, больших нуля, характерен режим заданного прямого тока, а не напряжения. Для реальной ВАХ при учете омического падения напряжения в слое базы, внешнее напряжение распределяется между p-n-переходом и слоем базы (сопротивление базы r б при малой площади перехода может составлять десятки Ом), поэтому уравнение (1.1), описывающее статическую ВАХ (рис. 2.1) реального перехода, можно записать следующим образом:
(2.4)
При обратной полярности внешнего источникаполярность внешнего источника напряжения совпадает с полярностью контактной разности потенциалов, потенциальный барьер p-n-перехода повышается, запрещенная зона перехода расширяется. При малых значениях обратного напряжения через p-n-переход будет наблюдаться движение и основных носителей, образующих ток, противоположно направленный току дрейфа:
(2.5)
Результирующий ток через p-n-переход при действии обратного напряжения
(2.6)
Уравнение (1.4) описывает обратную ветвь обратносмещенного перехода (рис. 22.1).
При U обр, большем 3j t , диффузионный ток через переход прекращается. При этом ток неосновных носителей продолжает течь через переход.
Отношение прямого и обратного тока называется коэффициентом выпрямления.
К выпр =I пр /I обр = exp U/j t ,(2.7)
Очевидно, что К выпр имеет очень большую величину и характеризует выпрямительные свойства р-п перехода
Обратный ток в общем случае носит название тока термогенерации и имеет большую величину; тогда как тепловой ток при комнатной температуре вообще не учитывается (в Si p-n переходе), так как он на 2-3 порядка меньше обратного тока. У германиевых переходов тепловой ток на 6 порядков больше, чем у кремниевых, поэтому в германиевых структурах этим током пренебрегать нельзя.
В реальном переходе наблюдается значительная зависимость тока неосновных носителей от приложенного напряжения. При действии обратного напряжения, когда расширяется запрещенная зона, область перехода сильно обедняется носителями, при этом процесс рекомбинации замедляется и процесс генерации оказывается неуравновешенным. Избыток генерируемых носителей захватывается электрическим полем и переносится в нейтральные слои (электроны в n-область, а дырки - в p-область). Эти потоки и образуют ток термогенерации. Этот ток слабо зависит от температуры и сильно зависит от величины приложенного обратного напряжения; уместно вспомнить упрощенную формулу зависимости скорости движения электрона в ускоряющем электрическом поле от приложенного напряжения
(2.8)
С увеличением приложенного напряжения скорость электрона увеличивается, растет число соударений его с атомами в узлах решетки (ударная ионизация), что приводит к появлению новых носителей заряда. Увеличение числа зарядов приводит к увеличению тока неосновных носителей, температура перехода увеличивается, а это, в свою очередь, приводит к нарушению ковалентных связей и росту носителей. Процесс может принять лавинообразный характер и привести к пробою p-n-перехода (рис. 1.1). Различают следующие виды пробоев:
туннельный (при напряженности поля перехода свыше 10 6 В/см, до точки «а»);
электрический (вызван ударной ионизацией, после точки «а»), этот тип пробоя иногда называют лавинным, при этом в переходе идут обратимые процессы и после снятия обратного напряжения он восстанавливает свои рабочие свойства. При электрическом пробое нарастание тока почти не вызывает изменения напряжения, что позволило использовать эту особенность характеристики для стабилизации напряжения;
тепловой возникает в результате сильного разогрева перехода (после точки «б»); процессы, которые идут при этом в переходе, необратимы, и рабочие свойства перехода после снятия напряжения не восстанавливаются (вот почему в справочной литературе строго ограничивается величина обратного напряжения на переходах диодов и транзисторов).
Рис. 2.1. ВАХ реального электронно-дырочного p-n-перехода
Анализируя прямую и обратные ветви вольтамперной характеристики, приходим к выводу, что p-n-переход хорошо проводит ток в прямосмещенном состоянии и очень плохо в обратносмещенном, следовательно, p-n-переход имеет вентильные свойства и его можно использовать для преобразования переменного напряжения в постоянное, например, в выпрямительных устройствах в блоках питания.
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Применение электронных приборов и устройств
Введение
Рассматриваемые электронные устройства входят частично в радиотехнические системы (РТС) общая классификация которых можно представить в виде следующей таблицы 1.
Таблица 1
|
Устройства |
Вид и назначение системы |
|
|
1. Передача информации |
радиовещание и телевидение РВ и ТВ, радиорелейные линии (РРЛ), связь через ИСЗ, мобильная связь, роуминг, телеметрия (ТМ), передача команд (ПК) |
|
|
2.Извлечение информации |
радиолокация (обнаружение и классификация целей, определение координат и параметров движения) (РЛ), радионавигация (РН), радиоразведка ископаемых и состояние поверхности Земли (РР), радиоастрономия (РА), радиоразведка РЭС другой страны (РР) |
|
|
3. Радиоуправление |
радиоуправление ракетами (РУ), радиоуправление космическими аппаратами, включая радиотелеуправление через ИСЗ, подрыв боевой части снарядов (ПБЧ) |
|
|
4. Разрушение информации |
Радиопротиводействие (РП) |
Отличительной особенностью систем передачи информации является то, что здесь сообщения отображаются в радиосигнале в пункте его излучения. После распространения в среде они принимаются и из них выделяются сообщения. Структурная схема такой системы имеет вид рис.1.
II. Отличительной особенностью систем извлечения информации является то, что полезная информация отображается в радиосигнале в процессе распространения и отражения радиоволн или при независимом, от рассматриваемой системы, формировании и излучении радиоволн (РТС противника, естественные источники и т.п.). Структурная схема такой системы, применительно к локации имеет вид рис.2.
Особенностью системы радиоуправления (РУ) является то, что в ней информация, передаваемая с помощью радиосигналов, непосредственно используется для управления объектами и процессами (например, управление полетами ракет, ИСЗ, самолетами и пр.).
III. В систему входят и другие (исполнительные, не радиотехнические) звенья, отображающие свойства объекта управления и особенности задачи управления. Структурная схема системы РУ (на примере самонаведения ракет) приведена на рис. 3.
IV. Системы разрушения информации предназначены для решения задач противодействия РТС противника, ориентированным на передачу и извлечение информации. Их особенности определяются поставленными задачами. На рис.1 - 3 приведены простейшие, единичные системы. В реальных режимах они работают совместно со многими системами (в сети) и в сочетании с разными РТС (в радиотехническом комплексе).
Помимо вышеназванных основных - РТС применяются в промышленности, медицине, при научных исследованиях и др. Ясно, что данная классификация не является жесткой. Во многих случаях в реальной РТС сочетаются несколько функций. Например, в систему РТУ входят РЛ и РН и системы передачи информации, телеметрия и передача команд.
Характерным признаком радиэлектронных систем является использование радиосигнала в качестве носителя информации. Назначение информации - один из признаков классификации систем.
По виду применяемых сигналов различают: - непрерывные, импульсные и цифровые системы.
В непрерывных - информация отображается изменением амплитуды, частоты, фазы непрерывного, обычно гармонического, сигнала.
В импульсных - сигнал представляет собой последовательность радиоимпульсов, в которых информацию могут нести как изменяющиеся параметры отдельных импульсов (А, t n), так и всей последовательности (n в пакете, интервалы между ними).
В цифровых системах сигнал предварительно квантуется по времени и уровню. Каждому уровню соответствует кодовая группа импульсов, которые и модулируют несущее колебание. Такие системы легко сопрягаются с ЭВМ, осуществляющими обработку и запоминание информации, воспринимаемой затем устройством отображения.
Среди перечисленных систем наибольшее распространение сегодня получили телевизионные с которых и начнем изучение курса.
Телевизионные устройства и системы
Телевизионными (ТВ) называются системы передачи информации (ПИ), предназначенные для передачи и воспроизведения на расстоянии оптических изображений. В зависимости от назначения различают системы вещательного и прикладного.
В системах ТВ используется поэлементный принцип передачи изображения, суть которого состоит в условном разбиении передаваемого изображения на совокупность малых элементов; преобразовании информации об элементах в электрические сигналы; последовательной передаче сигналов по линии связи; воспроизведении из сигналов изображения в приемнике).
ТВ сигнал в отличие от других электрических сигналов связи и информации характеризуется тем, что его спектр во много раз превосходит спектры обычных сигналов и занимает полосу от 50 Гц до 6 МГц (заметим, что спектр звукового вещания 30 Гц 12 КГц, что в 500 раз меньше ТВ спектра). Такой сигнал определяет ряд задач, которых не было при передачи на значительные расстояния СВ и даже КВ информационных посылках. И хотя сегодня найдены средства передачи ТВ сигнала (через ИСЗ, радиорелейные линии связи, кабельные и двухпроводные телефонные линии и др.), поиск технических методов сужения полосы ТВ частот (конечно, не в ущерб качеству изображения) остается важной научно-инженерной задачей. Особое значение эта проблема приобрела в цифровом, цветном и стереоскопическом цветном ТВ. Оценить верхнюю и нижнюю границу ТВ спектра можно на основании рассмотрения работы следующей структурной схемы (рис.4), состоящей из: генератора прямоугольных импульсов, регулируемого по частоте повторения; видеоусилителя; кинескопа; генератора развертки; отклоняющей системы; блока питания.
Рис.4Рис.5
Примем параметры развертки стандартными (ГОСТ 784579): частота развертки по полям f п = 50 Гц, число строк разложения Z = 625, частота строчной развертки f стр = 15625 Гц.
Установив по шкале генератора импульсов f ген = 50 Гц, получим на экране кинескопа две неподвижные горизонтальные полосы - черную и белую. Эта частота f н = f п = 50 Гц и принимается в спектре вещательного ТВ самой нижней.
Повышая частоту колебаний выше 50 Гц, получим при 100 Гц две пары полос (f ген = 2f п = 100 Гц) и вообще m пар неподвижных полос при f ген = mf п (где m - целое число).
При f ген = f стр = 15625 Гц - на экране появятся две вертикальные полосы - белая и черная, т.е. граница из горизонтальной превратится в вертикальную (передача 50 полукадров в сек или 25 полных кадров).
Увеличивая f ген до 2f стр = 31250 Гц, получим две пары вертикальных черных и белых полосы, а при f ген = nf стр (n - целое число) n - пар черных и белых полос, расположенных вертикально.
При дальнейшем увеличении частоты в силу ограничительности разрешающей способности системы вертикальные узкие полоски на экране начнут сливаться, терять контрастность.
Ограниченность разрешающей способности имеет место по следующим причинам:
любая схема (у нас видеоусилитель), через которую проходит ТВ сигнал (у нас - прямоугольные импульсы), имеет ограниченную полосу частот;
электронный луч кинескопа из-за апертурных искажений не в состоянии воспроизводить на экране сколь угодно тонкие и мелкие детали - штрихи и точки (диаметр электронного луча вместе его касания экрана - апертура луча - не должна быть больше толщины прочеркиваемых штрихов и промежутков между ними).
Апертура луча d связана с числом строк разложения Z (625 строк) как d = h/Z = h/625 (где h - высота изображения). Для уменьшения апертурных искажений (для повышения разрешающей способности), следовало бы разрабатывать электронную оптику, фокусирующую луч в кинескопе как можно более тонким. Но такое решение не подходит, т.к при d < h/Z между строками появятся темные промежутки.
Таким образом принимая d = h/Z, получим, что максимальное количество мельчайших черных деталей (разделенных такими же светлыми промежутками) по вертикали Z, а по горизонтали pZ/2 черных и pZ/2 белых (где р - формат кадра, по стандарту р = ширина изображения; h - высота изображения). При этом на всем изображении разместятся pZ 2 /2 пар элементов, и передаваемых пар в 1сек f к = 25 Гц (учитывая черезстрочную развертку) f к pZ 2 /2, откуда, за верхнюю границу можно принять
f верх = f к pZ 2 /2.(1)
На практике f верх ТВ спектра принимается несколько ниже. Снижение определяется апертурными искажениями, ухудшением отношения сигнал/шум при передаче мелких деталей, разбросом параметров электронно-фокусирующей системы ТВ трубок и др. Поэтому вводят коэффициент k = 0,9 0,8 и исходя из этого получают верхнюю границу ТВ спектра
f верх = 0,5kf к pZ 2 = 0,9254625 2 /23 6 МГц.
Если рассмотреть спектр ТВ канала, то можно отметить, что основная часть его сосредоточена в области нижних частот. В этой полосе (до 2,5 МГц) расположены составляющие спектра, соответствующие крупным элементам изображения. Высокочастотные составляющие, обладающие малой энергией, несут информацию о малоразмерных деталях. Гармоники строчной частоты со своими боковыми, образуют дискретные зоны энергии и несут информацию о деталях передаваемого объекта (рис.6).
Для передачи изображения по радиоканалу используется АМ-несущая с частотным подавлением одной боковой полосы (рис.7).
Для передачи медленно меняющихся параметров сигнала используют изменения постоянной составляющей видио сигнала. При этом меньший уровень видеосигнала соответствует большей освещенности кадра (т.к. видио сигнал отрицательной полярности, см. рис.8).
Рис.6Рис.7
В системах вещательного ТВ совместно с изображением передается ЧМ звуковое сопровождение (рис.9), при этом стандартная полоса частот, отводимая ТВ каналу составляет 8 МГц.
Рис.8Рис.9
Напомним, что полный ТВ сигнал в интервале двух строк имеет вид (рис.10):
Принципы черезстрочной развертки
Применяемая в ТВ развертка для четного и нечетного полей - полукадров отличается длительностью первой и последней строк, что понятно из приведенного рис.11.
Кроме того, в передаваемом по радиоканалу сигнале используется негативный характер зависимости между амплитудой и яркостью. Такой способ: упрощает задачу построения АРУ, которая в этом случае поддерживает постоянным верхний предел синхроимпульсов (СИ); снижается Р ср - поскольку в изображениях преобладает белый свет; уменьшается влияние помех на качество изображения (они выше "черного" и на экране менее заметно).
1.1 Структурная схема черно-белого телевизора
Общие требования к структурным схемам телевизоров
Приемные телевизионные устройства - телевизоры строятся в настоящее время по супергетеродинной схеме, и это решающим образом определяет структуру взаимодействия между каналами, блоками, каскадами. В общем виде структура построения телевизоров различных поколений аналогичны.
В настоящее время выпускаются в основном полупроводниковые и интегральные телевизоры, обладающие неоспоримыми.
В соответствии с ГОСТ 18198-79 и ГОСТ 24330-80 все телевизоры в зависимости от технических характеристик разделяются на стационарные (с размером экрана кинескопа не менее 50 см) и переносные (с размером экрана кинескопа не более 45 см).
С точки зрения требований функционального взаимодействия структурная схема телевизора должна обеспечивать:
прием сигналов несущих частот изображения и звука в полосе 8 МГц в метровом диапазоне волн с частотами от 48,5 МГц до 299,75 МГц и дециметровом диапазоне волн с частотами от 470 до 622 МГц;
преобразование сигналов несущих частот в сигналы промежуточных частот (ПЧ) со значениями f пр.из = 38,0 МГц и f пр.зв = 31,5 МГц;
выделение из сигналов ПЧ изображения ПТС и усиления его до уровня, необходимого для управления кинескопом;
выделение из сигналов ПЧ изображения и звука сигналов разностной частоты (второй ПЧ звука) с последующим преобразованием и усилением этих сигналов до уровня, способного управлять громкоговорителем;
выделение из ПТС синхросмеси и разделение ее на строчные и кадровые синхроимпульсы с последующим направлением их к соответствующим генераторам разверток;
развертку телевизионного изображения по горизонтали и вертикали;
противошумовую, апертурную, -коррекцию, восстановление постоянной составляющей (противошумовая - повышение соотношения сигнал/шум (использование полевых транзисторов с высоким входным сопротивлением) для снижения влияния входной емкости шунтирующей R н передающей трубки; апертурная - (апертура - сечение электронного луча)- связанные с конечными размерами сечения луча. Причина устраняется введением в видеоусилительный тракт корректирующего звена с ЧХ обратной по форме апертурной характеристики передающей трубки и линейной ФХ; -коррекция - выравнивание ступеней градаций яркости специальным усилителем с регулируемой формой АЧХ (применяются нелинейные нагрузки)).
Структурная схема телевизора
Транзисторные схемы выпускаемых промышленностью телевизоров тоже иногда отличаются друг от друга. Однако применение однотипных транзисторов в тех или иных каскадах и блоках, естественно, привело к унификации схемных решений. На рис.12 приведена структурная схема транзисторного телевизора.
Рис.12Рис.13
По функциональному назначению структурную схему условно разделяют на 7 каналов и блоков (такое деление оправдано упрощением поиска повреждения в схеме, т.к. внешнее проявление неисправности тесно связано с тем или иным конкретным каналом или блоком телевизора).
Схема транзисторного телевизора включает в себя высокочастотный блок 1, канал изображения 2, канал звука 3, канал синхронизации 4, канал строчной развертки 5, канал кадровой развертки 6 и блок питания 7.
Высокочастотный блок
Высокочастотный блок (ВЧ блок), (рис.13) принимает от фидерной линии сигналы двух несущих частот изображения и звука f нес.из и f нес.зв, усиливает их и с помощью гетеродина преобразует в сигналы с более низкими промежуточными частотами f пр.из = 38,0 МГц, f пр.зв = 31,5 МГц. ВЧ блок состоит из селектора каналов метрового диапазона волн (СКМ), селектора каналов дециметрового диапазона волн (СКД) и блока настройки (БН). Блок настройки управляет переключением каналов в СКМ и переходом в режим приема сигналов дециметрового диапазона волн - включением СКД.
В состав СКМ входят усилитель высокой частоты (УВЧ), гетеродин, смеситель (преобразователь). В состав СКД входят только УВЧ и генерирующим автодинный преобразователь. Совместная работа схем СКД происходит следующим образом. При приеме в диапазоне метровых волн работает только СКМ. При приеме в диапазоне дециметровых волн включены СКД и преобразователь СКМ, т.к. генерирующий преобразователь СКД не обеспечивает амплитуду сигналов нужного уровня.
Преобразователь СКМ работает в этом случае как усилитель, доводя уровень сигналов ПЧ до необходимой амплитуды.
Коммутацию этих режимов работы осуществляет блок настройки оба УВЧ охвачены напряжением АРУ.
Канал изображения
Канал изображения обеспечивает основное усиление сигналов промежуточных частот (ПЧ) изображения и звука, детектирование сигналов ПЧ изображения, в результате чего выделяется ПТС, усиление ПТС до уровня, обеспечивающего управление электронным лучом кинескопа. В состав канала изображения входит также схема АРУ, управляющая усилением каскадов УПЧ, УВЧ СКМ и УВЧ СКД.
Канал изображения состоит из режектирующих и фильтрующих цепей трехкаскадного УПЧИ, видеодетектора (ВД), видеоусилителя (ВУ), кинескопа и схемы АРУ (рис.14).
Усилитель промежуточной частоты изображения (УПЧИ) принимает от ВЧ блока сигналы ПЧ изображения и звука и направляет их по общему широкополосному каналу усиления. Первый каскад УПЧИ осуществляет согласование ВЧ блока с фильтром сосредоточенной селекцией (ФСС), в котором формируется амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала, определяющая в основном его избирательность. УПЧИ собран по одноканальной схеме, в которой сигналы ПЧ изображения и звука усиливаются одновременно. Такая возможность обеспечена различием способов модуляции (амплитудная и частотная).
В целях исключения взаимного влияния сигналов друг на друга ПЧ звука проходит через УПЧИ с режекцией (ослаблением) до уровня 0,1 от максимального значения АЧХ. В настоящее время все телевизоры отечественного производства выпускаются по одноканальной схеме УПЧИ. Напряжением АРУ охвачен первый каска УПЧИ.
Видеодетектор (ВД) принимает от УПЧИ усиленные сигналы ПЧ изображения и выделяет из них ПТС, который затем передается к видеоусилителю. ВД выполнен по схеме диодного амплитудного детектора с ВЧ коррекцией, необходимой для прохождения ВЧ составляющих видеосигнала.
Видеоусилитель (ВУ) усиливает ПТС по напряжению и мощности в полосе частот от 50 Гц до 5 МГц и регулирует контрастность изображения. ВУ выполнен по двухкаскадной схеме. Первый каскад - предварительный парафазный усилитель - обеспечивает разнополярными сигналами схему АРУ и канал синхронизации.
Схема автоматической регулировки усиления АРУ обеспечивает первый каскад УПЧИ и УВЧ автоматически меняющимся напряжением, величина которого зависит от уровня сигнала на антенном входе телевизора. Это напряжение, в свою очередь. Изменяет коэффициенты усиления каскадов так, что при уменьшении уровня входного сигнала они возрастают, а при увеличении - уменьшаются. В результате усиления канала (контрастность) остается неизменным при значительных колебаниях уровня входного сигнала.
Кинескоп является замыкающим звеном канала изображения. В нем ПТС осуществляет яркостную модуляцию луча, которая совместно с развертками по горизонтали и вертикали создает впечатление изображения.
Канал звука
Канал звука (рис.15) выделяет сигналы второй ПЧ звука (6,5 МГц) из основных ПЧ изображения и звука. Схема имеет самостоятельный детектор разностной частоты (ДРЧ), подключенный к УПЧИ. Канал звука состоит из ДРЧ, усилителя сигналов второй ПЧ звука промежуточной частоты звука (УПЧЗ), частотного детектора (ЧД), усилителя низкой частоты (УНЧ) и громкоговорителя (Гр).
Рис.15Рис.16
Схема УПЧЗ помимо усиления должна ограничивать по амплитуде сигналы второй ПЧ звука, так как в ее составе имеются кадровые синхроимпульсы, создающие в громкоговорителе низкочастотный фон. ЧД выделяет сигналы звуковых частот, которые после усиления в УНЧ воздействуют на громкоговоритель, осуществляя звуковое сопровождение изображения.
Канал синхронизации
Канал синхронизации (рис.16) принимает ПТС от предварительного каскада ВУ, выделяет из него синхросмесь, состоящую из совокупности импульсов строчной и кадровой синхронизации, усиливает ее и разделяет на строчные и кадровые синхроимпульсы, которые затем поступают к соответствующим генераторам разверток.
Канал синхронизации состоит из амплитудного селектора (АС), парафазного усилителя (ПФУ), интегрирующего фильтра (ИФ) и схемы автоматической подстройки частоты и фазы (АПЧ и Ф). АС выделяет из ПТС методом амплитудной селекции синхросмесь, которая усиливается в ПФУ. К ПФУ подключены два устройства: ИФ и АПЧ и Ф. С помощью ИФ из синхросмеси методом интегрирования выделяются кадровые синхроимпульсы, которые затем поступают к генератору кадров, синхронизируя его работу. Схема АПЧ и Ф автоматически подстраивает частоту и фазу генератора строк в соответствии с частотой и фазой синхроимпульсов. Эта схема имеет два входа и один выход. На один вход поступают синхроимпульсы, на другой - импульсы генератора строк. Здесь импульсы сравниваются по частоте и фазе, и в зависимости от их совпадения на выходе появляется напряжение, подстраивающее генератор строк.
Канал строчной развертки
Канал строчной развертки (рис.17) обеспечивает с помощью строчных отклоняющих катушек развертку луча кинескопа по горизонтали. Он состоит из задающего генератора строк (ЗГС), двухкаскадного усилителя мощности (УМ), демпфера (Д), трансформатора выходного строчного (ТВС), высоковольтного выпрямителя (ВВ) и строчных отклоняющих катушек (СОК), входящих в состав отклоняющей системы (ОС).
Рис.17Рис.18
С помощью ТВС импульсы обратного хода увеличиваются по амплитуде, выпрямляются, удваиваются схемой умножения напряжения и подаются на второй анод кинескопа в виде высокого выпрямленного напряжения.
Канал кадровой развертки
Канал кадровой развертки (рис.18) с помощью кадровых отклоняющих катушек развертывает луч кинескопа по вертикали.
Канал состоит из задающего генератора кадров (ЗКГ), эмиттерного повторителя (ЭП), двухкаскадного усилителя мощности (УМ) и кадровых отклоняющих катушек (КОК). ЗКГ вырабатывает пилообразное напряжение для управления каскадами усилителя мощности. ЭП обеспечивает необходимое согласование между ЗКГ выходными каскадами кадров. Усилитель мощности формирует в кадровых отклоняющих катушках пилообразные токи необходимой формы и мощности.
Блок питания
Блок питания (БП) обеспечивает телевизор (включая накал кинескопа) стабилизированным постоянным напряжением. Он состоит из силового трансформатора, диодного выпрямителя и электронного стабилизатора напряжения. С помощью силового трансформатора осуществляется понижение напряжения сети переменного тока 220-127 В до значений, необходимых для нормальной работы телевизора. Диодный выпрямитель преобразует переменное напряжение в пульсирующее с последующим сглаживанием его с помощью фильтров. Электронный стабилизатор обеспечивает постоянство значений выходного постоянного напряжения в заданных пределах при колебаниях потребляемого тока и переменного напряжения питающей сети.
Функциональные взаимодействия каналов и блоков транзисторного телевизора следующие.
Высокочастотные сигналы несущих частот изображения и звука принимаются приемной антенной и по фидерной линии направляются в антенный вход телевизора. С помощью селектора каналов избирается нужная программа ВЧ блок преобразует эти сигналы в более низкие промежуточные частоты изображения и звука. Их значения остаются неизменными независимо от выбранного канала.
В УПЧИ происходит основное усиление сигналов ПЧ и режекция помех соседних каналов. Далее, в видеодетекторе, выделяется ПТС со всеми его компонентами и приняты меры ВЧ коррекции, обеспечивающие прохождение ВЧ составляющих видеосигнала.
С предварительного видеоусилителя сигналы разветвляются в трех направлениях: на оконечный каскад видеоусилителя в канал синхронизации и на схему АРУ.
С оконечного каскада видеоусилителя ПТС поступает на кинескоп, где с помощью ПТС и ОС происходит преобразование электрических сигналов в изображение. Схема АРУ автоматически регулирует коэффициенты усиления первого каскада УПЧИ и каскадов УВЧ селекторов каналов метрового и дециметрового диапазона волн в соответствии с изменением уровня входного сигнала телевизора.
Канал звука подключен к последнему каскаду УПЧИ. С помощью ДРЧ выделяется вторая ПЧ звука с частотой 6,5 МГц. Резонансный УПЧЗ усиливает и ограничивает эти сигналы по амплитуде. Далее с помощью ЧД частотно-модулированные колебания преобразуются в сигналы низкой частоты звукового сопровождения, которые после усиления в УНЧ воздействуют на громкоговоритель. В громкоговорителе сигналы НЧ преобразуются в звук.
Канал синхронизации подключен к предварительному каскаду ВУ и осуществляет необходимые преобразования сигналов строчной и кадровой синхронизации, обеспечивающие синхронную работу генераторов строчной и кадровой разверток.
Задающие генераторы работают в автоколебательных режимах, обеспечивая непрерывный растр на экране кинескопа. При подаче сигналов на антенный вход телевизора генераторы оказываются засинронизированными с аналогичными генераторами на передающей стороне. Далее каналы строчной и кадровой разверток формируют пилообразные токи, необходимые для правильной работы отклоняющей системы.
Стабилизированный блок питания обеспечивает постоянным напряжением все каскады схемы. В некоторых телевизорах блок питания может использоваться также для заряда аккумуляторной батареи.
1.2 Структурная схема унифицированного телевизора
Структурная схема рис.19 унифицированных телевизоров II - III поколений в основе своей мало отличаются друг от друга. Имеющиеся отличия в основном связаны с цепями питания. Условно схема разделена на семь названных выше каналов и блоков.
ВЧ блок содержит традиционные устройства транзисторного телевизора. Аналогична и комбинация совместной работы ПТК-СКД.
Канал изображения содержит дополнительные схемы автоматической подстройки частоты гетеродина (АПЧГ), преобразователя напряжения (ПАРУ) и каскад защиты от перегрузок (КЗ). Схема АПЧГ получает сигналы ПЧ изображения с третьего каскада УПЧИ. В случае отклонения частоты гетеродина от нормы ПЧ изображения также будет иметь расстройку частоты относительно значения 38,0 МГц, на которую отреагирует дискриминатор АПЧГ.
КЗ предохраняет от перегрузок каскады, охваченные напряжением АРУ. Канал звука по своим функциональным задачам и структурной схеме аналогичен транзисторному варианту. Преобразование и выделение второй ПЧ звука производит амплитудный ВД. В котором одновременно приняты меры, исключающие прохождение этой частоты с ВУ.
Канал синхронизации содержит традиционные каскады. Канал строчной развертки может отличаться наличием высоких напряжений во всех каскадах. Выходной каскад строк (ВКС) и высоковольтный выпрямитель (ВВ) выполняют соответственно функции усилителя мощности и выпрямителя тока высокого напряжения.
Канал кадровой развертки также аналогичен транзисторному каналу. Функции усилителя мощности выполняет выходной каскад кадров (ВКК).
Блок питания состоит из силового трансформатора, двух диодных выпрямителей, сглаживающих фильтров и обеспечивает постоянным напряжением все каскады схемы, переменным напряжением накалы ламп, за исключением накала высоковольтного кенотрона и переменным напряжением - схему защиты.
Высокочастотный блок
Усилитель высокой частоты
Высокочастотный блок (ВЧ блок) современного телевизора состоит из обоих селекторов (СК-М и СК-Д), с помощью которых можно принимать программы всех диапазонов вещательного телевидения.
СК-М (ПТК) воспринимает от антенны через фидерную линию и входные цепи сигналы двух несущих частот метрового диапазона волн, усиливает их и с помощью процесса гетеродинирования преобразует в сигналы более низких промежуточных частот. Одним из главных преимуществ гетеродинного приема является то, что независимо от выбираемого канала ПЧ остается неизменной при этом упрощается схема усилительного тракта.
СК-М (ПТК) состоит из входных цепей, усилителя высокой частоты, гетеродина и смесителя. В соответствии с задачами, выполняемыми селекторами каналов можно сформулировать два дополнительных требования: возможно меньший уровень собственных шумов и возможно большее ослабление сигналов гетеродина во входных устройствах селектора. Первое требование повышает чувствительность телевизора, второе - уменьшает проникающее действие сигналов гетеродина в антенну.
Входные цепи селектора, обладающие резонансными свойствами, выделяют из множества наведенных в антенны сигналов нужные сигналы в полосе частот 8 МГц, а также обеспечивают согласование фидерной линии с входом УВЧ, при котором происходит передача в этом звене максимального сигнала. Оптимальными входными цепями являются повышающие резонансные трансформаторы с волновым сопротивлением на средних частотах канала, равным 75 Ом.
Кроме того, повышающий трансформатор в значительной степени уменьшает возможность прохождения сигналов гетеродина в антенну, т.к. для этих сигналов он является понижающим.
Транзисторный УВЧ (рис.20) собран по схеме с общей базой, которая обеспечивает достаточное усиление высоких частот. В эмиттерную цепь через резистор R 1 подается положительное напряжение +Е. Во входной цепи катушка L 2 , конденсатор С 3 , С 5 и параллельная ему входная емкость транзистора составляют резонансный контур, обеспечивающий увеличение напряжения в 1,5 раза. Последовательный режекторный контур С 2 , L 1 настроен на частоты, равные промежуточным. Иногда во входной цепи имеется несколько таких контуров, которые уменьшают проникновение из антенны сигналов помех на частоте, равной ПЧ изображения и звука.
Конденсаторы С 3 , С 5 обеспечивают неполное подключение входного контура к эмиттерной цепи транзистора, что дает возможность уменьшить шунтирующее действие этой цепи на контур и сформировать требуемую полосу пропускания входной цепи. Напряжение АРУ подается в цепь базы транзистора через резистор R 4 . При увеличении положительного напряжения на базе этого транзистора он запирается, что уменьшает усиление УВЧ. Иногда используют обратную полярность напряжения АРУ. При увеличении отрицательного напряжения на базе V тр возрастает коллекторный ток и увеличивается падение напряжения на резисторе R 1 . Это приводит к уменьшению постоянного напряжения на промежутке база-эмиттер и к падению усиления. Приведенные способы АРУ получили соответственно названия прямой и обратной АРУ (определяется номиналами резисторов и смещением). Коллекторная нагрузка УВЧ состоит из двухконтурного полосового фильтра L 3 , L 4 , частотная характеристика которого также как и из лампового УВЧ имеет вид двугорбой кривой, настроенной на несущие частоты изображения и звука.
Преобразователь
В смесителе смешиваются колебания частоты гетеродина f г с колебаниями несущих частот сигналов изображения f н.из и звука f н.зв. Среди многих комбинаций частот в нагрузочном резонансном контуре преобразователя образуются разностные частоты:
F пр. из = f г - f н. из = 38,0 и F пр. зв = f г - f н. из = 31,5 МГц.
Транзисторный преобразователь (рис.21,а) выполнен по схеме с общим эмиттером, что снижает шунтирующее действие полосового фильтра УВЧ и позволяет повысить избирательность каскада. На рис.21,в приведена схема автодинного смесителя, используемого в портативных телевизорах, имеющего ЧХ аналогичную рис.21,б.
Здесь в эмиттерную цепь С эб подается сигнал с выхода УВЧ (L 3 C 3), который складывается в диодной части транзистора с сигналом частоты гетеродина. Для ПЧ контур L 1 C 4 C 1 - емкость, которая включена параллельно L 2 . Гетеродин выполнен по схеме емкостной трехточки. Коллектор через С 4 соединен с контуром L 1 C 1 , а обратная связь с коллектора на эмиттер осуществляется через собственную емкость транзистора и добавочный конденсатор С 2 .
Канал изображения
В усилителях сигналов изображения широко применяются резонансные контуры, с помощью которых формируются амплитудно-частотные характеристики, определяющие в конечном итоге избирательность канала. Резонансные контуры используются не только как нагрузки каскадов, но и в целях режекции помех соседних каналов и ослабления собственных сигналов промежуточных частот.
Усилитель промежуточной частоты
Усилитель промежуточной частоты изображения (УПЧИ) решающим образом влияет на основные показатели телевизора: чувствительность, четкость, избирательность, качество звука и синхронизации. Как уже отмечалось, в современных одноканальных телевизорах через УПЧИ проходят и усиливаются сигналы промежуточных частот как изображения, так и звука. В связи с этим УПЧИ должен иметь достаточно широкую полосу усиливаемых частот и вместе с тем исключать возможность взаимного влияния этих сигналов друг на друга. Исходя из назначения, можно сформулировать требования, предъявляемые к УПЧИ:
обеспечение коэффициента усиления, достаточного для выделения в нагрузке детектора сигнала с амплитудой 2 В при полосе усиливаемых частот до 5 МГц;
режекцию сигналов промежуточных частот изображения и звука до уровней 0,5 и 0,1 соответственно;
режекцию помех соседних сигналов на частотах 30,0; 39,5; 41,0 МГц.
На основании изложенных требований можно построить АЧХ УПЧИ, удовлетворяющую этим требованиям. (см.рис.22)
Для лучшего понимания уточним понятия чувствительности, четкости и избирательности, которые в основном определяют качество работы телевизора.
Чувствительность связана с общим коэффициентом усиления каскадов от антенного входа до детектора, от которого, в частности, зависит контрастность изображения и качество синхронизации.
Четкость изображения, как известно, определяется шириной полосы частот усиливаемых сигналов всего видеоканала и, в частности, УПЧИ, с которой связано также качество звука.
Избирательность влияет на все перечисленные качества работы телевизора, т.к. ею определяется выбор полезных сигналов для данного канала. Для правильной работы видеодетектора, видеоусилителя и кинескопа амплитуда сигнала на выходе УПЧИ должна составлять 4 В.
Воспользуемся рис.23 и подсчитаем, каким должен быть коэффициент усиления УПЧИ, учитывая, что чувствительность телевизоров колеблется в пределах от (50 до 200 мкВ).
По известной формуле общий коэффициент усиления совокупности устройств или каскадов равен произведению коэффициентов усиления этих устройств или каскадовK общ = K 1 K 2 …K n .
Общий коэффициент усиления входных цепей, УВЧ и УПЧИ с учетом необходимой амплитуды выходного сигнала УПЧИ и чувствительности телевизора составит:
K общ = 4/(5010 6) = 80000,
отсюда на УПЧИ приходится
K упчи = K общ /K вх.из K увч = 80000/ = 2000.
УПЧИ обычно состоит из трех каскадов резонансных усилителей, в которых комбинацией режекторных контуров обеспечиваются необходимые избирательность и усиление.
Как уже отмечалось, АЧХ предусматривает подавление помех соседних каналов в УПЧИ. Рассмотрим на примере рис.22 причины появления этих помех. Несущие частоты телевизионных передатчиков, образующих телевизионную сеть страны, выбираются с учетом требования минимальных взаимных помех. Однако частоты соседних каналов расположены настолько близко друг от друга, что их края попадают в раствор частотной характеристики УВЧ. Поскольку несущие частоты соседних каналов отстоят друг от друга на 1,5 МГц, то и помехи, образованные после взаимодействия несущих с гетеродином, тоже будут отстоять от промежуточных частот на 1,5 МГц в ту и в другую стороны:
f п1 = 31,5 - 1,5 = 30,0 МГц; f п2 = 38,0 + 1,5 = 39,5 МГц.
Так как каналы метрового диапазона волн распределены неравномерно (1-й канал отстоит от 2-го на 1,5 МГц), то появляется возможность еще одной помехи:
f п3 = f п4 + 1,5 = 41,0 МГц.
Практика показывает, что сигналы помех должны быть ослаблены в 100 200 раз относительно максимальных значений АЧХ.
Рассмотрим более подробно формирование левого и правого склонов АЧХ. Полоса частот видеосигнала располагается между несущими изображения и звука. Область ВЧ составляющих, определяющая максимальную четкость изображения, находится вблизи несущей звука. В результате взаимодействия несущих с гетеродином ВЧ блока АЧХ УПЧИ представляет собой зеркальное отражение АЧХ, показанной на рис.10. Вследствие этого ВЧ составляющие видеосигнала на частотной характеристике УПЧИ теперь расположились слева и их количество определяется крутизной левого склона АЧХ.
Для максимального захвате ВЧ составляющих видеосигнала склон должен быть по возможности крутым (см.рис.22). Вместе с тем на этом же склон располагается промежуточная частота звука, которая режектируется до уровня 0,1 от максимального значения АЧХ. Отрезок кривой в области ПЧ звука 31,5 МГц должен быть плоским и параллельным оси частот с шириной, равной полосе звука П зв. В противном случае появляется так называемый дискриминаторный эффект (черные полосы на экране в такт со звуком). На рис.25 показаны причины появления дискриминаторного эффекта.
На правом склоне АЧХ располагается промежуточная частота изображения f пр.из, в области которой концентрируются НЧ составляющие видеосигнала. В связи с частичным подавлением нижней боковой полосы видеосигнала возникают неизбежные искажения, вызванные избытком НЧ составляющих в области f нес.из. Энергия НЧ вдвое больше, чем остальных составляющих видеосигнала. Для устранения этих искажений АЧХ ПЧ изображения режектируется до уровня 0,5 от максимального значения АЧХ и правый склон АЧХ должен быть по возможности пологим.
Пример трехкаскадного УПЧИ приведен на рис.26. Усилитель имеет четыре двухконтурных полосовых фильтра, из которых три соединены через емкость, а один в последующем каскаде через индуктивность. Благодаря применению кремниевых транзисторов с малой обратной емкостью нет необходимости в нейтрализации ОС.
Для уменьшения перекрестных помех все фильтры мешающих частот помещены на входе усилителя (в ФСС). Один из них компенсирующий фильтр. Вторые контуры полосовых фильтров на входе и выходе среднего каскада имеют емкостной делитель. В последнем каскаде усилителя индуктивная связь между контурами фильтра противодействует попаданию гармоник ПЧ на выход усилителя.
В каскадах УПЧИ телевизоров II и III поколений склоны АЧХ формируются Т-, М-образными и дифференциально-мостовыми фильтрами рис.27. В транзисторных УПЧИ формирование АЧХ осуществляется с помощью фильтра сосредоточенной селекции (ФСС), показанного на рис.28
Видеодетектор
Выходной сигнал УПЧИ поступает на вход видеодетектора. В большинстве схем телевизоров видеодетектор выполняет 2 задачи: выделяет огибающую сигнала изображения и выделяет разностную частоту для канала звука. В качестве видеодетектора обычно применяют однополупериодные выпрямители на точечных германиевых диодах (рис.29). Сущность работы диодного детектора заключается в том, что диод преобразует амплитудные колебания входного ВЧ сигнала в одностороннее пульсирующее напряжение, которое затем сглаживается благодаря наличию конденсатора. В нагрузочном резисторе выделяется огибающая этого напряжения - полный телевизионный сигнал. Процесс выделения ПТС показан на рис.29,б.
Видеоусилитель (ВУ)
ВУ (рис.30) служит для усиления продетектированного ПТС до уровня, необходимого для управления электронным лучом кинескопа. Кроме того ВУ выполняет ряд других функций: вырабатывает управляющее напряжение для схем АРУ, регулирует контрастность изображения и служит источником импульсного напряжения для управления каналом синхронизации. Для нормальной модуляции луча кинескопа необходимо иметь видеосигнал с размахом около 40 В. При линейном детектировании амплитуда сигнала изображения, подаваемого с нагрузки детектора на вход ВЧ, должна составлять » 2 В. Отсюда следует, что К У ВУ должен быть равен 20. Полоса частот, занимаемая видеоусилителем, составляет от 0 до 5,5 МГц. Частотная характеристика ВУ должна иметь вид, показанный на рис.30,б. Некоторый подъем усиления в области 5МГц (на 20 - 30%) полезен, т.к. при этом повышается четкость изображения.
Автоматическая регулировка усиления (АРУ)
Величина сигнала на входе телевизора меняется в зависимости от рабочего канала и условий распространения радиоволн. С помощью АРУ поддерживается постоянной амплитуда сигнала в канале изображения при колебаниях его уровня на входе телевизора. Напряжение АРУ, величина которого пропорциональна уровню входного сигнала, подается на каскады УВЧ и УПЧИ. С увеличением уровня входного сигнала коэффициент усиления этих каскадов под действием напряжения АРУ уменьшается, а с уменьшением - возрастает. Это обеспечивает постоянство амплитуды сигналов, подаваемых на детектор. Нормальная работа АРУ поддерживает постоянной контрастность изображения и устойчивость синхронизации.
В современных телевизорах применяется схема ключевой АРУ, использующая в качестве управляющего сигнала синхроимпульсы.
Транзисторная схема АРУ (рис.31) состоит из 2 транзисторов V 1 , V 2 , выполняющих функции усилителей постоянного тока (УПТ) и ключевого каскада (КК) соответственно. В промежутке между синхроимпульсом коллекторная цепь V 2 закорочена на землю через открытый V Д2 и обмотки ТВС. При совпадении по времени строчных синхроимпульса и импульса обратного хода развертки V Д2 запирается положительным импульсом обратного хода и синхроимпульс, выпрямленный V Д1 , заряжает С 1 . Величина заряда С 1 прямопропорциональна амплитуде синхроимпульса, а следовательно, и уровню сигнала на входе телевизора. Величина напряжения заряда С 1 определяет величину коллекторного тока VТ1 и напряжение АРУ. Чем больше заряд С 1 , тем больше коллекторный ток V 1 , тем меньше положительное напряжение АРУ. Положительное напряжение формируется на зарядном конденсаторе С 1 строчными синхроимпульсами ПТС.
Автоматическая подстройка частоты гетеродина (АПЧГ)
Высокое качество изображения и звука во многом зависит от точной и стабильной работы гетеродина. Такую работу обеспечивает система АПЧГ. Реагирующая на отклонения частоты гетеродина от нормы. Рассмотрим структурную схему АПЧГ (рис.32)
Причинами нестабильной работы гетеродина может быть изменение сетевого напряжения, нагрев деталей в процессе работы и другие. Действие системы АПЧГ основано на преобразовании фазовых сдвигов, возникающих при отклонении частоты гетеродина, в напряжение, управляющее с помощью варикапа восстановлением этой частоты.
Схема АПЧГ состоит из фазового дискриминатора и УПТ. Управляющий элемент - варикап - включен параллельно в цепь контура гетеродина. При изменении величины управляющего напряжения, приложенного к варикапу, изменяется его емкость и частота гетеродина.
Как отмечалось, передача звука в телевизионном вещании осуществляется методом частотной модуляции колебаний несущей частоты. В канале звука используются унифицированные структурные схемы преобразования и выделения сигналов звукового сопровождения. Некоторые ее непринципиальные отличия определяются классом и моделью телевизора.
Сигналы разностной (2-й ПЧ) частоты звука образуются в ВД как результат взаимодействия промежуточных частот изображения и звука
f пр. из. зв = f пр. из f пр. зв = 38,0 31,5 = 6,5 МГц.
Усилитель промежуточной частоты звука (УПЧЗ) выделяет сигналы разностной частоты звука f рч.зв = 6,5 МГц усиливает и ограничивает их и передает на частотный детектор. УПЧЗ выполнен по схеме двух-трех каскадного резонансного усилителя с включением на входе контура селективного отбора, настроенного на f = 6,5 МГц. Частотная модуляция заключается в том, что под действием сигнала звука (или любого другого сигнала) изменяется частота несущего колебания. При изменении частоты модуляции (тона звучания) соответственно меняется скорость изменения частоты несущей.
Изменение громкости звучания увеличивает диапазон изменения частоты несущей (максимальное отклонение частоты несущей от среднего значения). Диапазон частоты несущего колебание, соответствующий самому сильному звучанию, обычно составляет 75кГц (150 КГц). Однако полоса УПЧЗ выбирается равной 300 КГц. Сужение полосы приводит к появлению дополнительной амплитудной модуляции несущей звука.
В качестве УПЧЗ применяется интегральная схема, обеспечивающая эффективную работу частотного детектора.
Рис.33Рис.34
В детекторе на рис.34 нагрузка объединена в одном R 3 . Такая схема является несимметричной, а принцип ее работы аналогичен.
Усилитель низкой частоты (УНЧ) предназначен для усиления сигналов звуковых частот до уровня, обеспечивающего нормальное звучание громкоговорителя. УНЧ и состоит из двух-трех каскадов, собранных на транзисторах либо микросхемах. Выходной каскад выполняет функции усилителя мощности. Схемы УНЧ отличаются большим разнообразием, но всех их объединяют общие качественные требования.
Коэффициент усиления К показывает отношением выходного напряжения к входному K = U вых /U вх и в многоступенчатом усилителеK общ = K 1 K 2 K 3 .....K n .
Выходная мощность характеризует мощность тока НЧ в выходном нагрузочном сопротивлении усилителя - громкоговорителе.
Входное и выходное сопротивления являются важными параметрами усилителя. Особенно на транзисторах, где вопросы согласования этих сопротивлений имеют первостепенное значение для передачи необходимой мощности сигналов.
Диапазон частот показывает возможности усилителя передавать в неискаженном виде набор необходимых частот.
Частотные искажения. Чем шире диапазон частот колебаний, которые нормально усиливаются усилителем, тем меньше искажения. Идеальный усилитель должен в пределах того диапазона частот, на который он рассчитан, усиливать их одинаково. Практически же каждый усилитель усиливает различные по частоте колебания неодинаково, вследствие чего нарушается соотношение между звуками различных частот. Показателем частотных искажений служит АЧХ усилителя. Причиной частотных искажений является наличие в усилителе емкостей и индуктивностей, сопротивление которых зависит от частоты. Частотные искажения возникают также и в громкоговорителе, причем в нем они проявляются значительно сильней. Поэтому иногда полезно в усилитель вводить сознательно определенные частотные искажения, корректирующие искажения в громкоговорителе.
Как правило, схемы телевизионных усилителей звуковых частот снабжены тонкорректорами (регуляторами тембра), позволяющими устранять эти дефекты громкоговорителя.
Нелинейные искажения, искривляют форму сигналов, порождая тем самым гармоники колебаний. На выходе такого усилителя колебания становятся более сложными, т.к. к ним добавляется ряд простых синусоидальных колебаний, которых не было на входе усилителя. Они проявляются в том, что звук становится хриплым, дребезжащим. Причинами нелинейных искажений в усилителе являются: непрямолинейность характеристик электронных приборов. Значительные нелинейные искажения создаются также в громкоговорителях. Для оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейный искажений, показывающий какой % составляют все лишние гармоники, созданные самим усилителем, по отношению к основному колебанию. При коэффициенте нелинейного искажения >10% хриплость звука и дребезжание портят впечатление от художественных передач, а при превышении им 20% искажений, становятся недопустимыми.
Наличие в усилительном устройстве реактивных сопротивлений приводит к появлению фазовых искажений но орган слуха человека их не ощущает.
Для правильной работы генераторов разверток передатчик посылает в пространство в составе полного телевизионного сигнала импульсы строчной и кадровой синхронизации. Вначале эти импульсы синхронизации отделяются от остальных составляющих ПТС, разделяются на строчные и кадровые импульсы и направляются к генераторам разверток. Перечисленными операциями определяется и структура канала синхронизации. В целях повышения помехоустойчивости в цепях строчной синхронизации в настоящее время повсеместно применяется схема автоматической подстройки частоты и фазы генератора строк (АПЧ и Ф), включенная непосредственно перед генератором.
АС выделяет из ПТС синхросмесь, состоящую из совокупности строчных и кадровых синхроимпульсов. Импульсы синхронизации занимают уровень над гасящими импульсами (см.рис.10), что существенно упрощает технику выделения.
На рис.35 приведена принципиальная схема АС и графики, поясняющие его работу. По принципу действия АС представляет собой резистивный усилитель, работающий в режиме ограничения. В цепь, соединяющую АС с видеоусилителем, включены переходный конденсатор С п и помехоподавляющая цепочка R пп С пп., которая ослабляет действие коротких импульсных помех на АС. К числу основных недостатков Ас относится его подверженность действию импульсных помех. Если помеха появляется в паузе между синхроимпульсами и ее амплитуда достаточно велика, то она выделится на выходе АС и может быть воспринята генератором как синхроимпульс.
Основы построения телевизора цветного изображения. Совместимые системы цветного и черно-белого телевидения. Система PAL и ее характеристика. Особенности системы SEKAM (Франция, СССР). АЧХ усилительного тракта ЦТ. Сигналы цветной синхронизации.
реферат , добавлен 13.01.2009
Основные элементы СКТВ: приемные телевизионные антенны и усилители, головные станции, конверторы. Структура системы кабельного телевидения, требования, предъявляемые к схемам. Основные методы информационной обратной связи. Распределение частот сигналов.
реферат , добавлен 18.03.2011
Принцип действия блока развертки телевизора. Принципиальная схема модуля кадровой и строчной разверток. Описание конструкции устройства, поиск неисправностей и ремонт. Послеремонтная регулировка и контроль. Техника безопасности и производственная гигиена.
курсовая работа , добавлен 10.01.2013
Рассмотрение структурной схемы бытового телевизора: характеристика блоков радиоканала и разверток. Проектирование генератора срочной развертки с заданными узлами. Расчет выходного каскада, высоковольтного блока, накальной обмотки ТВС и фокусирующей цепи.
курсовая работа , добавлен 30.08.2011
Назначение и устройство телевизионного приемника цветного изображения LG. Узлы коммутации сигналов, управления режимами работы телевизора, обработки сигналов. Настройка и регулировка телевизора LG, основные неисправности и методы их устранения.
курсовая работа , добавлен 18.05.2013
Триггерные устройства как функциональные элементы цифровых систем: устойчивые состояния электрического равновесия бистабильных и многостабильных триггеров. Структурные схемы и классификация устройств, нагрузки и быстродействие логических элементов.
реферат , добавлен 12.06.2009
История изобретения телевидения - одного из величайших технических изобретений XX века. Принципы передачи изображения на расстояние радиоэлектронными средствами. Музейные экземпляры телевизоров. Обобщённая структурная схема телевизионной системы.
презентация , добавлен 11.12.2014
Построение выходного и предвыходного каскадов генератора развертки. Выбор элементной базы разрабатываемых узлов. Схема блока развертки. Синхронизация генератора кадров. Напряжения требуемой формы для работы устройства динамического сведения лучей.
курсовая работа , добавлен 30.08.2011
Основные понятия и принципы использования карточек. Способы идентификации пластиковых карт. Особенности устройства смарт-карты. Применение криптографии для карт с магнитной полосой. Устройства обслуживания электронных платежей. Стандарты расчетов.
реферат , добавлен 12.05.2004
История развития телевидения. Классификация телевизоров. Потребительские и функциональные свойства. Количество программ. Оптические и растровые характеристики, телетекст. Оценка товара по параметрам. Характеристика результатов потребления.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
Классификация
Электронным прибором (ЭП) называют устройство, в котором в результате взаимодействия свободных или связанных носителей заряда с электрическим, магнитным и переменным электромагнитным полем обеспечивается преобразование информационного сигнала или преобразование вида энергии.
Основными признаками классификации разнообразных по принципу действия, назначению, технологии изготовления, свойствам и параметрам можно считать: вид преобразования сигнала; вид рабочей среды и тип носителей заряда; структуру (устройство) и число электродов; способ управления.
По виду преобразования сигнала все ЭП можно разбить на две большие группы. К первой группе относятся ЭП, в которых используется преобразование одного вида энергии в другой. В эту группу входят электросветовые ЭП (преобразование типа электрический сигнал в световой), фотоэлектронные приборы (световой сигнал в электрический), электромеханические (электрический сигнал в механический), механоэлектрические ЭП (механический сигнал в электрический), оптопары (электрический сигнал в световой и затем снова в электрический)и др.
Ко второй группе обычно относятся электропреобразовательные приборы, в которых изменяются параметры электрического сигнала (например, амплитуда, фаза, частота и др.).
По виду рабочей среды и типу носителей заряда различают следующие классы электронных приборов: электровакуумные (вакуум, электроны), газоразрядные (разреженный газ, электроны и ионы), полупроводниковые (полупроводник, электроны и дырки), хемотронные (жидкость, ионы и электроны).
Электроды электронного прибора – это элементы его конструкции, которые служат для формирования рабочего пространства прибора и связи его с внешними цепями. Число электродов и их потенциалы определяют физические процессы в приборе. Наиболее наглядно это в электронных лампах: двухэлектродные (диоды), трехэлектродные (триоды), четырехэлектродные (тетроды) и пятиэлектродные (пентоды).
Режимы, характеристики и параметры электронных приборов
Совокупность условий, определяющих состояние или работу электронного прибора, принято называть режимом электронного прибора, а любую величину, характеризующую этот режим (к примеру, ток или напряжение), – параметрами режима. Говорят об усилительных, импульсных, частотных, шумовых, температурных и механических свойствах, о надежности и т.п. Количественные сведения об этих свойствах называют параметрами прибора . К ним, например, относят коэффициенты передачи токов, характеристические частоты, коэффициент шума, интенсивность отказов, ударную стойкость и др.
Вначале остановимся на понятиях статического и динамического режимов приборов. Статическим называют режим, когда прибор работает при постоянных («статических») напряжениях на электродах. В этом режиме токи в цепях электродов не изменяются во времени и распределения зарядов и токов в приборе также постоянны во времени. Другими словами, в статическом режиме все параметры режима не изменяются во времени. Однако, если хотя бы один из параметров режима, например напряжение на каком-то электроде, изменяется во времени, режим называется динамическим.
В динамическом режиме поведение прибора существенно зависит от скорости или частоты изменения воздействия (например, напряжения).
У большинства приборов эта зависимость объясняется инерционностью физических процессов в приборе, например конечным временем пролета носителей заряда через рабочее пространство или конечным временем жизни носителей. Конечность времени пролета приводит к тому, что мгновенное значение тока электрода, к которому движутся носители, в выбранный момент времени будет определяться не только значением напряжения на электроде в этот момент, но, естественно, и предысторией, т.е. всеми значениями напряжения от момента начала движения в приборе до прихода носителя заряда к рассматриваемому электроду. Следовательно, связь мгновенных значений тока и напряжения в динамическом режиме должна отличаться от связи постоянных значений тока и напряжения в статическом режиме. Однако если время пролета значительно меньше периода изменения переменного напряжения, то это.отличие во взаимосвязи будет несущественным, т.е. связь мгновенных значений будет практически такой же, как постоянных величин в статическом режиме. Указанная разновидность динамического режима называется квазистатическим режимом («квази» – означает «как бы» или «как будто»).
Основным качественным показателем электронных устройств является надежность их работы, которая определяется надежностью отдельных деталей и узлов.
Под надежностью понимается свойство системы (изделия), связанное с ее безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью и обеспечивающее выполнение заданных функций.
Безотказность определяет свойство системы (изделия) непрерывно сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации.
Долговечность - это свойство изделия или системы длительно сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации. Долговечность количественно оценивается техническим ресурсом, представляющим собой сумму интервалов времени безотказной работы за период эксплуатации до разрушения или другого предельного состояния.
Ремонтопригодность - это свойство изделия или системы, характеризующее ее приспособленность к предупреждению, обнаружению и устранению отказов.
Отказом называется такая неисправность, без устранения которой невозможно дальнейшее выполнение аппаратурой всех или хотя бы одной из ее основных функций. Отказы могут быть полными и частичными (условными), внезапными и постепенными, зависимыми и независимыми. Физический смысл внезапного отказа сводится к тому, что в результате скачкообразного изменения какого-либо параметра элемент схемы теряет свойства, необходимые для обеспечения нормальной работы. К полным отказам можно отнести отказы, связанные с полной потерей работоспособности прибора вследствие обрывов или коротких замыканий внутренних или внешних выводов, пробоя PN-перехода и т. д.
Причинами внезапных отказов могут быть конструктивные недоработки, скрытые производственные дефекты, нарушение правил эксплуатации и внешние воздействия, не свойственные нормальной эксплуатации (удары, вибрации, перегрев, повышенное напряжение и т. д.). Такие отказы чаще всего возникают в начальный период эксплуатации.
Постепенные отказы связаны с изменением параметров приборов (изделия) во времени и проявляются в виде выходов параметров за пределы норм, установленных в технических условиях. Постепенные отказы обусловлены несовершенством технологии или ее нарушением в процессе изготовления приборов.
Основная часть отказов полупроводниковых приборов происходит за счет постепенного ухудшения параметров, в основном вызванного изменением состояния поверхности полупроводников. Попадание влаги или кислорода на поверхность кристалла приводит к образованию проводящих каналов на поверхности полупроводника, что может вызвать увеличение обратного тока перехода и уменьшение коэффициента передачи тока транзистора. Вследствие этого приборы, выполненные по планарной технологии, имеют более высокую стабильность параметров, так как у них поверхность полупроводников покрыта защитной окисной пленкой, нежели приборы, выполненные по сплавной технологии.
В электровакуумных приборах такие отказы могут возникать из-за ухудшения вакуума лампы и уменьшения эмиссии катода во времени. Постепенные отказы могут быть частичными или условными , где изменение параметров прибора в одних случаях могут вызвать отказ работы схемы, в других - только частичное изменение параметров. За критерий условных отказов принимают изменение основных параметров (для транзисторов это обычно изменение коэффициента передачи и обратного тока коллектора) в определенное число раз сверх норм, предусмотренных техническими условиями. Правильно рассчитанная схема допускает значительные изменения параметров прибора, поэтому условно отказавшие приборы могут не вызвать отказа ее работы.
Для количественной оценки надежности используют понятие интенсивность (опасность) отказов, под которой понимают отношение числа отказов приборов в единицу времени к числу исправно работающих приборов. Интенсивность отказов
где n - число отказавших приборов за время t в часах; N -общее число работающих приборов. Так как обычно n N, то
Для оценки надежности электронных приборов (устройств) пользуются понятием: вероятность безотказной работы p за определенный интервал времени эксплуатации
Рис. 10.5. Типовая кривая интенсивности отказов
Типовая кривая интенсивности отказов приведена на рис. 10.5. Эту кривую можно разделить на три участка. Участок 1 характеризуется повышенной интенсивностью внезапных отказов, которые являются следствием низкого качества изготовления, выявившегося с началом эксплуатации изделия. Участок 2 соответствует нормальному сроку эксплуатации. Интенсивность отказов здесь уменьшается, так как период приработки закончился, а износ приборов еще не наступил. Участок 3 характеризуется новым нарастанием интенсивности отказов, являющихся результатом старения или износа элементов (например, потерей эмиссии катода электровакуумного прибора). Для большинства типов полупроводниковых приборов не удалось установить наличие области износа, что объясняется их большим сроком службы.
