Способ устранения шума в усилителе Советский патент 1945 года по МПК H03F1/26 

В ОСНОВНОМ авторском свидетельстве № 35908 описан способ устранения шумов в усилителе, вызываемых тепловыми флуктуациями тока в проводниках сопротивлений связи, согласно которому частотную характеристику комплексного сопротивления связи выбирают такой, чтобы в диапазоне усиливаемых полезных частот отношение энергии полезного сигнала к энергии шума было максимальным при отсутствии частотных искажений сигнала. Прием осуш;ествления этого способа применительно к усилителям фототоков заключается в том, что входное омическое сопротивление выбирают настолько большим, что в пределах усиливаемой полосы частот импеданц входа имеет в основном реактивный характер и активная составляюш;ая этого импеданца, определяющая шум входа, исчезаюше мала, вызванные же на входе усилителя частотные искажения компенсируют в ламповом усилителе посредством включения в анодную цепь лампы одного из каскадов усиления корректирующей катушки индуктивности, имеющей постоянную времени, равную постоянной времени входа.

Эта схема, которую можно назвать простой схемой противошумовой коррекции, нашла в настоящее время широкое распространение в телевизионной технике у нас и за границей, так как она позволяет существенно повысить чувствительность телевизионных систем, уничтожая шумы входного сопротивления и сводя практически шумы усилительного тракта к шумам первой лампы усилителя.

Автором настоящего изобретения в дальнейшем было найдено, что путем разделения индуктивностью входной емкости усилителя на частичные емкости (емкость фотоэлемента и емкость сетки первой лампы), т. е. путем построения в.ода усилителя по схеме фильтра, получить при соответствующем выборе параметров этого фильтра равномерное повыщение входного сигнала во всем диапазоне усиливаемых частот и соответствуюшее подавление шумов усилителя. При таком равномерном по частоте увеличении входного сигнала растут, однако, и шумы тепловых флуктуации во входном сопротивлении.

Согласно настоящему изобретению на вход, построенный по схеме фильтра, включают настолько большое активное сопротивление, чтобы тепловые флуктуации тока на входе усилителя были исчезающе малы, а для коррекции получающихся при этом частотных искажений применяют три цепи коррекции, две из которых представляют собой цепи из последовательно соединенных индуктивности и малого активного сопротивления или эквивалентные им цепи, а третья цепь представляет собой последовательный колебательный контур, настроенный на резонансную частоту входного фильтра. Видоизменением способа коррекции по настоящему изобретению является применение отрицательной обратной связи осуществляемой путем включения некоторого общего сопротивления в цепь катодов ламп первого и третьего каскадов усилителя. Сущность изобретения поясняется дальнейщим описанием и фигурами -8 прилагаемого чертежа. При этом фиг, 1--2 иллюстрируют схему входной цепи усилителя и способ коррекции его частотной характеристики по основному авторскому свидетельству, фигуры За и 35-схемы входа усилителя с разделением входной емкости на две частичных емкости Q и С,, а фигуры 4-8-схемы усилителя с коррекцией частотной характеристики, осуществляемой согласно настоящему изобретению, Рассмотрим противощумовую коррекцию входной цепи, построенной по схеме фильтра, представленного на чертел е За в преде.|ьном случае, когда входное омическое сопротивление, включенное и-1ф S 82 Вз К( где: 1ф - эффективная сила фототока, входящего во входной фильтр. Легко видеть, что для получения независимости этого выражения от частоты достаточно удовлет(CiL, Ц

КоЗ

(Cj-fCo)2C32 В данном случае на выходе фильтра, равно бесконечности. В эток случае отношение напряжения на входе фильтра, т. е. на сетке, к силе тока на входе, т. е. к силе фототока, представляющее собой частотную характеристику входной. цепи, имеет следующий вид; Ug 1 jo.(C,-LQ)(-..L.i-) IT-S/ где: С, и О, - частичные емкости входа (емкость фотоэлемента и емкость сетки первой лампы), L- индуктивность, разделяющая частичные емкости. Для коррекции такой частотной характеристики входа могут быть использованы три корректирующие цепи в виде двух индуктивностсй LI и Lj и одного последовательного резонансного контура L, Cg,. расположенных отдельно в трех каскадах усилителя так, как .это показано на фиг. 4, на которой представлена также и описанная выше входная цепь усилителя. В случае применения ламп с достаточно больщим внутренним сопротивлением, коэфициент усиления такого усилителя представляется в виде (1-СоЗЬдСо) - 82 Sg joiLiL, KO, где: Sp Sj, 83 -крутизны ламп. в аноды которых включены корректирующие цепи. Ко - общий коэфициент усиления остальных обыкновенных реостатных каскадов усиления. Эффективное напряжение сигнала фототока на выходе этого усилителя представляется в виде: Lg1-а)2ЬзСз С,-С, ) Сз Ci+Co ворйть условию Lj Ci-U в этом случае квадрат эффективности напряжения на выходе представляется в виде: Квадрат эффективного напряжения шума анодного тока первой .з.1аЛ .S...L

2Вг . 1а - S, Входящий В эту формулу интеграл легко берется, и квадрат эффеки, 2 2 D . X Та S,, С/ Представляя Lg Сз 2 , мы по1-рлучим для квадрата эффективного выра/кение. „ „ L, L; о . / 1 Е I а So

которое при 1,4 имеет минимум и равно

и.„ 2 DS . las:. s; Квадрат эффективного напряжения шума имеет, таким обргззм, мини. ,, мум при ЬзСз- ,чтосоответствует в условиях коррекции входа Ci Со1.4 минимуму при QJ.I. Отношение квадрата эффективнего напряжения шума первой ла мпы к квадрату эффективного напряжения сигнала на выходе усилителя имеет также минимум при . . „. CiCo1,4 Cj-}-C2 гр и равно Ищ 2Сг 1з (0 . 2;;- «о - -U2 18,75 1ф Sr Сравнивая это отношение с тем же отношением для обыкнове.чно,го усилителя, мы находим величину (, характеризующую степень подавления шумов первой лампы усилителя при применении схемы сложной противошумовой коррекции в предельном случае, когда 7 1/ - l/i8J5 4.33.

шгр

L L:

а- (1 - ) do). / ,с 3 5 напряжения

LI L,,

12

Vp

18,75 лампы в таком усилителе представляется в виде: .L - Сз) - К 2.. тивного напряжения шума представляется выражением; 7 шума первой лампы Сравнивая величины у и ;-, мы видим, что в случае сложной противошумовой коррекции подавле шумов происходит в 2,5 раза больше, чем в случае простой противошумовой коррекции. Физический смысл сложной схемы противошумовой коррекции заключается по сушеству в повышении уровня входного напряжения по сравнению с простой схемой противошумовой коррекции, происходяш,его благодаря разделению частичных емкостей входа. Это цовышение происходит в условиях противошумовой коррекции неравномерно во всем диапазоне частот. Повышение достигает максимума при резонансе входного фильтра на частоте 1 т /--QC |/ L и, наконец, переходит при некоторой частоте, равной К-.т§7 В понижение.

Для иллюстрации этого на фиг. 5 представлены вместе частотные характеристики входного напряжения (напряжение на сетке первой лампы) нри простой схеме противошумовой коррекции, в виде кривой / и при сложной cxeiMe противошумовой коррекции-в виде кривой 2. Оборотной стороной этого является вопрос о величине шума первюй лампы, пропорционального интегралу функции частотной характеристики усилителя, которая для того чтобы скорректировать частотную характеристику входа должна быть обратной ей функцией. Частотные характеристики, обратные частотным-характеристикам входа, представлены на том же чертеже пунктиром для простой схемы противошумовой коррекции в виде / и для сложной противошумовой коррекции в зиде 2.

Как мы видим, вплоть до ча1/2-стоты

1 tji)

L GI+C,

частотная характеристика усилителя, соответствуюш,ая сложной схеме противошумовой коррекции, идет ниже частотной характеристики, соответствующей простой схеме противошумовой коррекции. Это и определяет меньший уровень шумов первой лампы усилителя в случае сложной схемы проС,з

-+ г 7(CH--Ca)i «„„

С|С2

, ,LC,

L -R,(Ci+C,)2

Ci+Co

-CsH-rCi-f

Rn.- (С,Эти условия коррекции найденыжения сигнала на выходе усилиметодом сравнения коэфициентовтеля к силе фототока на его всхопри одинаковых степенях to в вы-де, представляющегося в виде ражении для отношения напряиLO., (1- -Ьз-Сз-Н ГаСз)(1+Р

f RBX-TI- Si-S2- Ss

тивошумовой

коррекции и оптимум его при

1.4

GI+CS

Рассмотренный предельный случай противошумовой коррекции, когда входное омическое сопротивление равно бесконечности, принципиально недостиясим, однако к нему можно настолько близко подойти, что получающийся при этом эффект подавления шумов практически не отличается от рассчитанного в предельном случае.

Что касается коррекции частотной характеристики, то она при реально достижимой большой величине входного омического сопротивления, все же суп1,ественно нарушается, если мы не внесем соответствующих изменений в описанные выше цепи коррекции.

В цепях коррекции необходимо также учесть собственное омическое сопротивление катушки индуктивности входного фильтра.

Для учета конечной величины входного омического сопротивления R вх и собственного омического сопротивления г катушки индуктивности входного фильтра, необходимо в цепях коррекции последовательпо с одной из индуктивностей, например L, и в последовательный контур L;, С, включить соответственно некоторые сопротивления TI и Гз так, как это показано на фиг. 6,.

Условия взаимной коррекции представляются в этом случае в виде:

,

r CjCa

(1)

)

RB

CjCfl

(CH-c,)2

(l-c.2LCi+j rCi)(H-.i«)R«, C2)-fj«RB, Ci Решап совместно полученные таким образом три уравнения, получаем 2 линейных уравнения, связывающих ЬдСоГдС;, и-, и одно кубическое уравнение для LgCg. Pbien в виду, что корень этого кубического уравнения не. может при большом RBX сильно отличаться от значения , г I С.+С, найденного нами лТ,ля RBX находим приближенное значение этого корня по способу Ньютона, ограничиваясь первым приближением ч Подставляя найденное значение в два других линейных уравнения и делая соответствующие приближения, получаем приведенные выше условия коррекции (1). При достаточно большом входком омическом сопротивлении второе из приведенных условий коррекции мало отличается от представленного ранее условия коррекции в случае бесконечно большого входного омического сопротивлеLXc L а третье усПИЯ -а и - f I р 2 лопие коррекции может без большой погрешности также быть упрощено и представлено в виде вх (Ci+Cj) , Все три условия коррекции принимают таким ооразом следующий вид: .А Сг , R,, (Cj+Co)2 CH-C, CI+GS вх (Cl+C,) Для осуществления питания анодной цепи лампы Sg по фиг. б можно шунтировать последовательный контур некоторым омическим сопротивлением R4 Чтобы не нарушить при этом выведенные выще условия коррекции, необходимо кроме того в оставшейся пока нетронутой цепи второй лампы последовательно с чистой индуктивностью Ьз включить омическое сопротивление Го, подобранное таким образом, чтобы общая частотная характеристика этих двух измененных цепей коррекции Lj С, Гз R и L, г„ попрежнему представлялась выражением, пропорциональным величине (1-cu-Lg Cg). Общая частотная характеристика рассмотренных ранее цепей L и L. €3 представляется в виде „- (1-ш2ЬзСз). Вся схема коррекции принимает вид, представленный на фиг. 7. Как будет сейчас показано, можно действительно подобрать параметры цепей ЬоГ, и LoCgrgR таким образом, что в рассматриваемом диапазоне частот общая частотная характеристика этих цепей с заданной степенью точности представляется выражением пропорциональным (1-ш-Ь.,С.,). Расчет необходимых соотношений между параметрами LjCjRL,,-., можно производить, пренебрегая влиянием сопротивления Г;,. Пренебрегая сопротивлением г.,, мы получим коэфициент усиления двух каскадов, содержащих упомяпутые цепи коррекции второго и третьего каскадов усилителя, представленного па фиг. 7, в виде: roRiSaSg (1 Н- i« -) (1-о -1зСз) 2,3 - l-cosLsCg+joiCsR Для получения необходимой частотной зависимости, пропорциональной (1-ш-ЬзСз), нужно таким образом добиться минимальных отклонений от единицы в рассматриваемой полосе частот выражения1 - toSLjCa-jwCgRi В ЭТОМ случае отнощение напряжения на выходе усилителя к величине фототока на его входе, коГ1 . гг RiSiSoSs 1ф будет также лшнимально отклоняться от своего начального значения R riroRiSiSsSs . Ко. Отношение I-ш21зСз-|-шСзШ 1ФЛ

представляет таким образом частотную зависимость относительного коэфициента усиления фототока и это отношение, как мы уже указывали, должно минимально отклоняться от единицы в рассматриваемой полосе частот. Достигнуть этого наилучшим образом можно приравнивая нулю первые члены, начиная со второго разложения в ряд Мак-Лорена по частоте модуля относительного коэфициента усиления. Квадрат модз-ля относительного коэфициента усиления имеет вид:

1-Ьи2ЬСз-Ьш2СзЗК1..-шПз2ТсзгПриравнивая друг другу коэфидиенты при ш- в числителе и знаменателе, что соответствует в данном случае равенству нулю второго члена разложения в ряд МакЛорена функции по , мы получаем условие коррекции соответствующее минимально возможному монотонному падению усиления в виде

- C.f R12-2 LsCg . (3)

При этом вырал ение для относительного коэфициента усиления принимает вид:

Н2

, , .

l-fco .2

МЫ тем самым задаемся падением о усиления на граничной частоте, которое определится по формуле

а о - )-, i -с,

Легко убедиться, что при малых значениях Р падение усиления о можно считать приблизительно равным р. Подставляя в выражение (4) значение для L, С, оптимальное с точки зрения шумов 1,4

т

и условие коррекции (3), получаем для емкости Сд выражение в виде:

/i

,96-1-3,6

23

-

R1

гр

Это выражение вместе с условием коррекции (3) и условием оптимума шумов определяют значение параметров рассматриваемых цепей коррекции в виде следуюш.их вырал ений

В дальнейшем при малых значениях допускаемого падения усиления мы под падением усиления будем подразумевать величину р. Исторое теперь может быть представлено в виде +J 1 - (o LgCs-l-j™C8R o)4L,2Co8 Член j, , L22 в выражении для относительного коэфициента усиления определяет падение усиления на высоких частотах. Задаваясь определенным значением этого члена на граничнор частоте „, г а - :+.. i

следуя выражение для отношения

LS

, мы видим, что величина этого

Г2

отношения при очень малых значениях допускаемого падения усиления очень велика, так что цепь коррекции г, Ьз становится близкой к чистой индуктивности. При увеличепии значения допускаемого падения усиления величина отноLZ

шения - падает. При значении

з

2.,96, соответствующем падению усиления ,42, величина отЬгношениястановится равной

Го

нзлю, так что каскад усиления, содержапдий цепь коррекции L, Го, вырождается в обыкновенный реостатный каскад усиления с горизонтальной частотной характеристикой. Падение усиления в 42% не может быть однако допущено. Цепь коррекции , хотя и может быть далека от чистой индуктивности, но все же должна содержать довольно большую индуктивность. Допуская, например, пятипроцентное падение усиления на граничной частоте (,05), мы получаем для индуктивного сопротивления этой цепи коррекции на граничной частоте значение примерно в четыре раза больше омического сопротивления этой цепи

LA 4 -

Г2

Значения параметров LjC;, определяются, как мы видим, величиной сопротивления ЕЧ Величина же сопротнвления R ограничивается, с одной стороны, условиями питания анода лампы и, с другой стороны,величиной шунтирующей это сопротивление паразитной емкости, составляющейся в основном из емкостей электронных ла.мп (анода предыдущей и сетки последующей ламп). Последнее ограничение обычно более существенно и поэтому величинаэтого сопротивления может быть определена, исходя из

и,,;. 1ф

Гу 1 у I у

величины шумткрующей его паразитной емкости таким же образом, как и величина анодного сопротивления в обычном реостатном усилительном каскаде. Последовательно с этим сопротивлением может быть так же, как и в обычном реостатном каскаде, включена соответствующая корректпруюп:,ая индуктивность.

Описанная выше схема сложно противошумовой коррекции обладает тем педостатком, что напряжение от фототока уже на сетке первой лампы может на нпзкпх частотах достигать значения, приводящего к нелинейным искажениям. Этот недостаток делает совершенно невозможным пpп.cнeние этой схемы в случае, когда фототок на входе имеет особеньо большие значения.

Б этом случае может быть применена свободная от этих недостатков схема сложной противошумовой коррекции с обратной связью, изображенная на фиг. 8.

В этой схеме во входной фильтр, отличающийся от входного фильтра при первом варианте схемы только тем, что входное омическое сопротивление (стремящееся к бесконечности) включено не на выходе, а на входе фильтра, подана отрицательная обратная связь с катода третьей лампы.

В случае, если эта обратная связь достаточно велика, как будет показано, уже на сетке первой мы будем и.меть неискаженный сигнал фототока, равномерно переданный по всем частотам в то время, как отношение щума к сигналу определится той же формулой, что и в случае первого варианта сложной схеА1ы противошумовой коррекции, и .мы получаем таким образом тот же выигрыш в отнощенип сигнала к шуму.

Напрянхеаие между катодом и сеткой первой лампы выражается через фототок, входящий во входной фильтр, следующей формулеfi

i + -z.

1 I j где: Zj Zo ju)L, - сопротивления элементов, составляющих входной фильтр, K -коэфициент усиления двухкаскадного усилителя, осуществляющего обратную связь, Sj - крутизна третьей лампы, катодная цепь которой связана с катодной цепью первой лампы посредством сопроRтивления . l-LjwRlCil При выводе этой формулы пренебрегалось величиной обратной связи непосредственно со стороны первой лампы и величиной сопротивления 2/- по сравнению с сопротивлением цепи входного фильтра, т. е. с суммой составляющих его сопротивлений Zi-j- a h si а внутреннее сопротивление третьей лампы считалось бесконечно большим. Рассматривая эту формулу, мы видим, что если сопротивление Z сделать подобным сопротивлению 2;i, т. е. RGI е в С, так, что Zi -r Zi, где 7 -некоторая малая величина, и в то же время величину сделать настолько больщой, что в знаменателе можно во всей рассматриваемой полосе частот пренебречь единицей, то мы получим приближенно Ugj. 1ф . величину, не зависящую от частоты. Напряжение на аноде третьей лампы, которое мы будем рассматривать как выход усилителя, будет также независимо от частоты и равно , гдеЕз-анодное сопротивление третьей лампы. - К15з R3 iu,,, 4 РД Sj -крутизна первой лампы. Пренебрегая попрежнему единицей в знаменателе, получаем 3 Zi-fZ3+Z3 ia с г

9П-1 2ВЛа -

гр

Zi+Z2+Z3 -,

)

Z, Z, Сигнал фототока, проходя через цепь отрицательной обратной связи, подавляется неравномерно с частотой, поскольку обратная связь подана на сетку первой лампы потенциометрически через сопротивления, составляющие входной фильтр, причем эта неравномерность как раз обратна неравномерности самого сигнала фототока на выходе фильтра в отсутствии обратной связи. Так, например, максимуму сигнала при резонансе фильтра соответствует также максимум иодачи отрицательной обратной связи через цепь фильтра и соответственно максимум подавления сигнала при резонансе фильтра. Переходя к рассмотрению щумов анодного тока первой лампы, мы отмечаем, что в то время как отрицательная обратная связь подавляет их также неравномерно по частоте, как и сигнал фототока, сами щумы ни в какой другой связи с частотными свойствами входного фильтра не стоят и в отсутствии обратной связи равномерно распределены по спектру частот. Формула для эффективного напряжения щумов может быть легко получена, если воспользоваться понятием элементарного шумового (флуктуационного) тока первой лампы Aia У20г1а dco . ОлСрИруя с этим элементарным шумовым током, как и с внешним сигналом, мы получим для напряжения, вызванного этим элемен-тарным щумовым током на выходе усилителя, выражение: 1 + f S3-Z Подставляя в последнюю формулу значение й получаем для квадрата эффективного напряжения шума па выходе усилителя выражение

Подставляя в подинтегральное выражение значения сопротивлений Z, Zj и Za в предельном случае противошумовой коррекции, т. е.

при REX °° 2 j(uL и Zs jioCi J jcoCa получаем уже знакомого вида теграл m(Ci+Co)2(l-(fl2L - dw. CH-CS U.,. 2Ds-L Еых-а с 9 „2 сравнивая это выражение для квадрата эффективного напряжения сигнала на выходе усилителя, получаем для величины отношения квадрата эффективного напряжения шума к квадрату эффективного напряжения сигнала выражение С 2 Ог . т U2,,,18,75 . 1ф25д2 Как мы видим, отношение шума к сигналу определяется в данном случае точно той же формулой, что и в случае варианта сложной схемы противошумовой коррекции без обратной связи, в то время как уже на сетке первой лампы мы имеем неискаженный сигнал фототока, равномерно переданный по всем частотам U -- 1ф . Описанный выше вариант сложной схемы противошумовой коррекции с отрицательной обратной связью не может однако быть осуществлен в чистом виде. Принятое нами при выводе формулы условие, что сопротивлением Z можно пренебречь по сравнению с сопротивлением цепи входного фильтра, т. е. суммой составляюш,их его сопротивлений, может быть соблюдено в самом деле на всех частотах, кроме резонансной частоты и частот, непосредственно к ней прилегаюш:их. При резонансной частоте и в непосредственной близости от нее сопротивление цепи входного фильтра падает принципиально до нуля, практически до величины собственного омического

который имеет минимум при

1.4

-. CiC2

Ci-fCo

rp --г:- з,.р CSg,,, И при этом равен,:. где ,, откуда квадрат эффективного напряжения при оптимальных значениях пар;;метров входного фильтра равен: сопротивления катушки индуктивности, и при этих частотах сопротивлением Z, понятно, нельзя пренебречь по сравнению с сопротивлением цепи входного фильтра. Коррекция частотной характеристики входной цепи при этом резко нарушается. Отрицательная обратная связь, нормально растущая при приближении к резонансной частоте, в непосредственной близости от нее прекращает свой нормальный рост или даже падает, что приводит к возникновению узкого пика напряжения на сетке первой лампы при резонансной частоте. Для компенсации этого пика можно параллельно анодному сопротивлению, например, третьей лампы усилителя, включить последовательно соединенные индуктивность, емкость и малое омическое сопротивление, настроенные на резонансную частоту входного фильтра. Этот дополнительный корректирующий контур вызовет при резонансе соответствующий провал частотной характеристики. Регулируя соотнощением между L и С (при неизменной величине произведения LC) этого корректирующего контура или же при заданном соотношении между L и С регулируя величину шунтирующего этот контур анодного сопротивления, мы будем менять ширину провала, а регулируя величину малого омического сопротивления контура, - глубину этого провала таким образом, что он скомпенсирует возникший во входной цепи пик напряжения. Это усложнение варианта сложной схемы противошумовой коррекции с отрицательной обратной связью не лишает, однако, ее своих основных преимуществ. Усложнение в настройке схемы не является слишком значительным. Что же касается пика напряжения на сетке первой лампы при резонансе, то он -не представляет собой большой опасности в отношении нелинейных искажений, так как гармонические составляющие фототока на высоких частотах вблизи резонан.са не могут иметь большой величины.

Предмет изобретения

1. Способ устранения шума в усилителе по авторскому свидетельству №35908, отличающийся тем, что на вход, построенный по схеме фильтра, образованного делением (в целях повышения входного сигнала) входной емкости на

Фиг. 1

сё

две частичные емкости с помощью индуктивности, включают настолько большое активное сопротивление, чтобы тепловые флуктуации тока на входе усилителя были исчезающе малы, а для коррекции получающихся при этом частотных искажений применяют три цепи коррекции, две из которых представляют собой цепи из последовательно соединенных индуктивности и малого активного сопротивления или. эквивалентные им цепи, а третья цепь представляет собой последовательный колебательный контур, настроенный на резонансную частоту входного фильтра. 2. Видоизменение способа по п. 1, отличающееся тем, что для коррекции частотных искажений применяют отрицательную обратную связь, осуществляемую путем включения некоторого общего сопротивления в цепь катодов ламп первого и третьего каскадов усилителя.

Фиг. 2

Ly

-VToWo oToW

ic.

R5x:

Фиг. 4

1

/

j/Tp

Фиг. б