Телевидение?.. Это очень просто!

Беседа тринадцатая ОТ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ К КИНЕСКОПУ

Незнайкин. — Время от времени наши беседы заставляют меня вспоминать о горных тропах.

Любознайкин. — Не потому ли, что трудности размышления напоминают тебе об опасных подвигах альпинистов?

Н. — Нет, я намекаю совсем не на это. Ты знаешь эти извилистые дороги, которые медленно поднимаются по склону горы и где все время кажется, что вновь и вновь проходишь по тем же мостам, тогда как па самом деле непрерывно идешь вверх. И мне иногда кажется, что я опять повторяю курс радио, настолько понятия, которые мы рассматриваем, если можно так выразиться, «параллельны» понятиям из радиотехники. Разве в последний раз мы не говорили об усилении высокой и промежуточной частоты и о преобразовании частоты?

Л. — Принимая твое сравнение, я пойду еще дальше, утверждая, что по мере подъема открывающийся пейзаж меняет свой вид, становится все шире. И когда изучаешь схемы различных каскадов телевизора, сталкиваешься с трудностями более высокого порядка, чем в радио, потому что частоты передаваемого сигнала, как и несущие частоты, гораздо выше.

Н. — Не желая изображать из себя пророка, я все же скажу, что, по всей вероятности, мы пойдем теперь по тем участкам пути, которые на дорожных щитах носят название «Детектирование» и «Усиление низкой частоты».

Л. — Конечно, мы начнем сегодня беседу с проблемы детектирования. В самом деле, после того как принятый антенной сигнал был в достаточной степени усилен по высокой и в ряде случаев промежуточной частоте, пора извлечь модуляцию, которую он содержит. Нельзя терять из виду того, что роль высокой частоты — вспомогательная, это средство транспорта… очень быстрого, но не больше. Как нагружают грузовик, с тем чтобы сразу по прибытии к месту назначения разгрузить его, так и в передатчике вводят видеочастоты в несущей ток высокой частоты. Наконец, приходит время извлечь его оттуда, и в этом заключается задача детектирования.

Н. — А затем выпрямленный сигнал, мне кажется, будет усилен по низкой частоте?

Л. — Было бы по меньшей мере неправильно называть «низкой частотой» видеосигнал, состоящий из полосы частот от нуля до нескольких миллионов герц. Поэтому будет правильнее говорить об усилителе видеочастоты, или видеоусилителе.

Н. — Ты совершенно прав. Но не будем забегать вперед и, если ты ничего не имеешь против, начнем с детектирования. Я полагаю, что в телевидении мы можем использовать те же способы детектирования, что и в радио, т. е. при помощи кристалла, диода или лампы с тремя электродами, наконец, применить схемы сеточного или анодного детектирования.

Л. — Все это можно использовать. Но чаще всего встречается диод, значительно реже — анодное детектирование. Диод часто заменяют полупроводниковым детектором, который благодаря небольшой емкости и незначительному сопротивлению годится для детектирования очень высоких частот, именно поэтому его используют в радиолокации на сантиметровых волнах.

Н. — А схема диодного детектора, употребляемого в телевидении, отличается от детектора радиовещательного приемника?

Л. — Нет, ничем. Смотри сам (рис. 86). Напряжение высокой (или промежуточной) частоты колебательного контура, который образует катушка L с распределенной емкостью, приложено к диоду, включенному последовательно с цепью нагрузки RC. Ток в течение отрицательных полупериодов переменного тока не проходит, так как встречает запрещенное направление анод — катод, когда диод не проводит. Наоборот, ток за положительные полупериоды проходит в направлении стрелки.

Рис. 86. Детектирование положительной полярности.

_{а — принципиальная схема; б — сигнал высокой частоты; в — видеосигнал после детектирования.}

Н. — Следовательно, если мы графически изобразим модулированный ток высокой (или промежуточной) частоты, то наш детектор сотрет все, что находится под горизонтальной осью и оставит только положительные полупериоды, которые, впрочем, теряют свою индивидуальность и благодаря накапливающему действию конденсатора С сливаются, превращаясь в напряжение видеочастоты.

Л. — С удовольствием могу отметить, что ты ничего не забыл из когда-то мною рассказанного о радио. Заметь теперь, что можно не пропускать положительные полупериоды, а открыть путь только отрицательным (рис. 87). Стоит только включить диод в обратном направлении.

Рис. 87. Детектирование отрицательной полярности.

_{а — принципиальная схема; б — сигнал высокой частоты; в — видеосигнал после детектирования.}

Н. — Какой смысл в схеме детектирования положительной полярности? Ведь при этом максимум тока видеочастоты, соответствующий самой большой яркости изображения, оказался бы в детектируемом напряжении наименьшей величиной. Такое напряжение, поданное на управляющий электрод приемной трубки, которую, кстати, называют кинескопом, создало бы изображение, где белое оказалось бы черным и наоборот. У нас получилось бы…, ну, конечно, это было бы негативное изображение!

Л. — Твое рассуждение безупречно. Если подавать продетектированное напряжение непосредственно на управляющий электрод кинескопа (этот электрод называют модулятором), то нужно применять схему с детектированием отрицательной полярности.

Однако, как мы уже говорили, можно подать детектированное напряжение не на модулятор, а на катод кинескопа, что иногда оказывается более удобным. Как ты легко поймешь, в этом случае будет не негативное, а позитивное изображение.

Кроме того, обычно между детектором и кинескопом вводят один или два каскада видеочастоты, потому что величина продетектированного напряжения составляет лишь несколько вольт и недостаточна для полной модуляции. А ты знаешь, что каждый усилительный каскад изменяет полярность напряжения: положительный импульс на сетке вызывает на аноде уменьшение напряжения и наоборот.

Н. — Я угадываю, что последует. Имея один каскад видеочастоты и детектируя полупериоды положительной полярности, мы получим при подаче сигнала на модулятор кинескопа позитивное, а на катод негативное напряжение. При двух каскадах видеоусилителя все должно быть наоборот.

Л. — Запомни хорошенько, что видеосигнал, в котором синхронизирующие сигналы направлены в сторону уменьшения потенциала, называется позитивным видеосигналом, а в сторону увеличения — негативным видеосигналом. И не путай термина «позитивный сигнал» с термином «сигнал положительной полярности», каким является сигнал, целиком расположенный в области положительных значений потенциала. Так, например, позитивный сигнал, т. е. сигнал с синхросигналами, направленными в сторону уменьшения потенциала (или, что эквивалентно, в сторону увеличения отрицательного потенциала), весь может быть расположен в области отрицательных значений потенциала. В этом случае он будет называться позитивным сигналом отрицательной полярности. То же относится к терминам «негативный сигнал» и «сигнал отрицательной полярности».

Таким образом, термины «положительный» и «отрицательный» характеризуют абсолютное распределение потенциалов в сигнале, а «позитивный» и «негативный» — относительное их распределение.

Н. — Вот по меньшей мере парадокс: чтобы получить позитивное изображение, в ряде случаев требуется негативный сигнал.

Л. — Не играй словами, Незнайкин. Попробуй лучше определить емкость конденсатора С и сопротивление резистора R нагрузки детектора.

Н. — Я думаю, что классические величины 100 пф и 0,5 Мом, применяемые во всех радиоприемниках, подойдут также и для телевидения.

Л. — Совершенно не разделяю твоего мнения. Подумай, что в детектируемом тоне имеются частоты в несколько мегагерц. Можешь ты высчитать емкостное сопротивление твоего маленького конденсатора 100 пф на частоте 6 Мгц, например?

Н. — Дай подумать… Итак… получается 265 ом. Возможно ли это?

Л. — Безусловно. А что составляют эти 265 ом по сравнению с сопротивлением резистора R, равным 0,5 Мом?

Н. — Очевидно, резистор окажется практически замкнутым накоротко конденсатором. Таким образом, напряжение на резисторе будет равно нулю и, значит, не будет передано на видеоусилитель.

Л. — Слишком поспешное заключение, дружище. Ведь низкие частоты видеосигнала будут продетектированы без заметного ослабления. Ослабление высоких частот скажется, следовательно, в отсутствии мелких деталей изображения, по крайней мере в направлении развертки по строкам. Получится размытое изображение, как это происходит всякий раз, когда по какой-нибудь причине ширина полосы передаваемых видеочастот уменьшается.

Н. — Что же делать? Следует ли значительно уменьшить емкость конденсатора С, для того чтобы даже на высоких частотах его емкостное сопротивление было достаточно большим?

Л. — Такое решение необходимо. Однако слишком далеко заходить тоже нельзя. Емкость конденсатора С должна быть больше емкости катод — анод диода, чтобы большая часть продетектированного напряжения выделялась на резисторе R. Обычно берется емкость около 20 пф, учитывая же наличие паразитных емкостей, достаточно применить конденсатор емкостью 10 пф. Иногда его совсем не ставят, возлагая выполнение задачи на паразитные емкости.

Н. — Это, конечно, более экономично. Но мне кажется, что даже при 20 пф емкостное сопротивление окажется слишком малым. A 330 ом на частоте 6 Мгц) по сравнению с сопротивлением резистора R.

Л. — Поэтому нужно значительно уменьшить сопротивление этого резистора, например, в пределах 1 000—4 000 ом.

Н. — Мне кажется, что при таком уменьшенном сопротивлении нагрузки к. п. д. детектора окажется далеко но блестящим.

Л. — Конечно, здесь мы далеки от того, чтобы получать, как в радио, 90 % детектируемого напряжения (при условии, что глубина модуляции составляет 100 %). Но, применяя специально сконструированные для телевидения диоды, имеющие одновременно небольшую емкость катод — анод и малое внутреннее сопротивление, можно получать на сопротивлении резистора R добрую половину детектируемого напряжения.

Н. — В общем детектор имеет ту же схему, что и в радио, но с меньшими величинами сопротивления и емкости?!

Л. — Совершенно верно. Кроме того, гораздо чаще, чем в радио, за ним следует фильтр нижних частот, для того чтобы уменьшить остаточные составляющие высокой и промежуточной частоты (рис. 88).

Рис. 88. Фильтр нижних частот для подавления составляющих высокой частоты после детектирования.

Н. — Фильтр, который ты начертил, поразительно походит на фильтры питания.

Л. — Ничего удивительного в этом нет, Незнайкин, потому что в обоих случаях речь идет об уменьшении амплитуды составляющей более высокой частоты, чем частота используемого тока. Для этой составляющей индуктивное сопротивление катушек очень велико, так как оно возрастает с частотой, а конденсаторы (емкостное сопротивление которых уменьшается с увеличением частоты) создают замыкающие цепочки.

Н. — Раз фильтр похож на классический фильтр питания, нельзя ли в детекторе использовать схему двухполупериодного выпрямителя, заставляя работать попеременно оба диода?

Л. — Твоя идея вполне осуществима. При условии установки на входе соответствующего трансформатора (рис. 89) к. п. д. такого детектора будет несколько выше.

Рис. 89. Двухполупериодное детектирование симметричной схемой с двумя диодами.

Н. — Теперь, наконец, когда нам удалось извлечь благодаря детектору составляющую видеочастоты, остается только усилить ее. Я полагаю, что для этого применяют такие же методы, как в радиовещательных приемниках, с той, однако, разницей, что полоса усиливаемых частот достигает здесь нескольких миллионов герц. Я думаю, что при таких частотах паразитные емкости должны создавать серьезные затруднения.

Л. — И ты не ошибаешься. Но эти затруднения не ограничиваются проблемой усиления очень широкой полосы частот. К счастью, существуют два обстоятельства, облегчающие задачу. Во-первых, от усилителя требуется только напряжение, а не мощность, как в случае громкоговорителя. Впрочем, как ты увидишь, какая-то определенная мощность должна быть выделена на сопротивлении анодной нагрузки.

Н. — В общем здесь мы создаем вольты, а не ватты. Я это предпочитаю, так как расчеты в этом случае, без сомнения, проще. А какая вторая особенность усилителя видеочастоты?

Л. — Тот факт, что не нужно большого усиления. Для полной модуляции яркости пятна обычно достаточно изменения напряжения на 20–30 в. Понятно, что я говорю о величинах, находящихся между уровнями черного и белого. На выходе детектора получается напряжение порядка 1 в. Таким образом, несмотря на неблагоприятные условия, в которых видеоусилитель работает, не позволяющие получить большой коэффициент усиления, в большинстве случаев достаточно одного каскада усиления. А это упрощает многие проблемы. Иногда, правда, используют два каскада.

Н. — Мне кажется, что, как и при детектировании, неприятности определяются поведением емкостей на высоких частотах.

Л. — Да, конечно. В видеоусилителе применяется классическая схема на резисторах (рис. 90). Параллельно нагрузочному резистору R оказывается включенной паразитная емкость С порядка 30 пф, состоящая из многих емкостей.

Рис. 90. Принципиальная схема усилительного каскада на резисторах.

Н. — Я догадываюсь, что это емкость между анодом и другими электродами выходной лампы и емкости монтажа.

Л. — Ты еще забыл емкость между модулятором и катодом кинескопа в случае, когда выходное напряжение подается на кинескоп, или же емкость сетка — катод лампы следующего каскада, когда речь идет о первом каскаде двухкаскадного видеоусилителя.

Н. — Очевидно, на частоте 6 Мгц вся эта совокупность паразитных емкостей будет представлять для анодного тока емкостное сопротивление меньше 1000 ом. Если использовать нагрузочный резистор R сопротивлением 100000 ом, как в радио, то все составляющие высоких частот пройдут через это своего рода емкостное короткое замыкание и усиление для них станет почти нулевым. Следовательно, мы потеряем все детали изображения.

Л. — Раз ты так хорошо разобрал причины болезни, тебе не трудно будет найти и лекарство.

Н. — Увы, опять, конечно, придется согласиться на жертву. Надо сильно уменьшить сопротивление нагрузки, так чтобы оно было сравнимо с емкостным сопротивлением С на самых высоких частотах. Очевидно, при R порядка 2 000 ом усиление будет очень малым. А при малом сопротивлении нужен будет значительный анодный ток, чтобы развить необходимое напряжение. Значит, лампа должна будет отдавать известную мощность.

Л. — Все это верно. И, так же как в усилителе высокой или промежуточной частоты, здесь выгоднее всего использовать пентод с возможно большей крутизной, который, очевидно, должен быть достаточно мощным. Ведь и в этом случав усиление практически равно произведению крутизны на сопротивление нагрузки.

Н. — В общем, телевидение основано на расточительстве во всех каскадах. Берут самые замечательные лампы и используют самую ничтожную часть их усилительных возможностей, то шунтируя колебательные контуры, что уменьшает их полное сопротивление, то уменьшая нагрузочные сопротивления. Какая жалкая техника!..

Л. — Не сетуй, Незнайкин, ведь, несмотря ни на что, телевизоры работают и, в частности, небольшого усиления видеоусилителя вообще-то хватает.

Н. — Как обычно, мне хочется прибегнуть к аналогии с радио. Поэтому я задаю себе вопрос, нет ли средства исправить частотную характеристику видеоусилителя, подняв ее на высоких частотах?

Л. — Задавая себе такой вопрос, ты поступаешь правильно, потому что, действительно, такое исправление, как правило, практикуется. Для этого используют катушки небольшой индуктивности, которые включают параллельно или последовательно с паразитной емкостью, или же одновременно используют обе схемы включения. В случае «параллельной схемы коррекции» (рис. 91) катушка L, включенная последовательно с нагрузочным резистором Д, оказывается настроенной при помощи емкостей С и С₁. Подобрав «соответствующим образом индуктивность катушки L₁ добиваются значительного улучшения частотной характеристики, поднимая ее на высоких частотах.

Рис. 91. Метод коррекции частотной характеристики с помощью катушки L₁, включенной параллельно паразитной емкости.

Н. — Я полагаю, что цепь L₁CC₁ настраивается на те высокие частоты, которые нужно усилить; таким образом, ее полное сопротивление, малое на других частотах, значительно возрастает на высоких и, добавляясь к сопротивлению нагрузки R, своевременно приходит на выручку, чтобы поднять усиление каскада.

Л. — Конечно. Более того, наличие корректирующей катушки L₁ нейтрализует в какой-то мере действие паразитной емкости С и дает возможность увеличить сопротивление нагрузки R и, следовательно, усиление для всей полосы частот.

Н. — В общем, наша характеристика имеет более удовлетворительную форму и в целом несколько поднимается?

Л. — Правильно. Тот же или даже несколько лучший результат получается в «последовательной схеме коррекции» (рис. 92), где катушка L₂ помещена на выходе каскада таким образом, чтобы разделить паразитную емкость С на две части (С₂ и С₃). В некоторых случаях эта катушка может содержать параллельно включенный резистор R₁ сопротивлением того же порядка, что и сопротивление резистора R.

Рис. 92. Схема последовательной коррекции с помощью катушки L₂.

Н. — Это очень похоже на фильтр нижних частот.

Л. — Это действительно фильтр нижних частот, но пропускающий частоты вплоть до очень высоких. Настройка такой схемы довольно сложна. Чтобы она была действительно эффективной, нужно, чтобы емкости С₂ и С₃ находились в определенном соотношении. Ну, а с дикими паразитными емкостями нельзя ни в чем быть уверенным…

Н. — Ты, однако, говорил, что можно комбинировать оба только что рассмотренных способа коррекции.

Л. — Конечно. И когда она хорошо выполнена, «последовательно-параллельная схема коррекции» (рис. 93) весьма эффективна.

Рис. 93. Смешанная схема последовательно-параллельной коррекции катушками L и L₂.

Она дает прекрасную частотную характеристику (рис. 94) и позволяет поднять общее усиление путем дополнительного увеличения сопротивления резистора R. Но нужно, чтобы все элементы были тщательно рассчитаны и выполнены.

Рис. 94. Частотные характеристики видеоусилителя на резисторах.

_{1 — без коррекции (схема на рис. 90); 2 — с параллельной коррекцией (рис. 91); 3 — с последовательной коррекцией (рис. 92); 4 — с последовательно-параллельной коррекцией (рис. 93).}

Н. — Используют ли такие же схемы в двухкаскадных видеоусилителях?

Л. — Конечно. Кроме того, эти схемы коррекции могут применяться в цепи связи между детектором и каскадом видеочастоты.

Н. — Раз уж мы сравнивали видеочастоту с низкой частотой, возникает вопрос, не используют ли в каскадах видеочастоты регулировку усиления, аналогичную с регулировкой интенсивности звука?

Л. — В некоторых телевизорах регулировка контраста осуществляется путем изменения усиления по видеочастоте. Конечно, эта регулировка выполняется не с помощью потенциометра в сеточной цепи, как в усилителях низкой частоты радиоприемников, так как емкость потенциометра привела бы к потере всех высоких частот. Чаще всего регулируется катодное смещение.