Антенный усилитель своими руками: мастер-класс изготовления универсального прибора своими руками. Антенный усилитель DVB-T2 (ДМВ) своими руками Принципиальная схема антенного усилителя дмв

Приемная телевизионная антенна принимает от телецентра электромагнитное излучение, которое наводит на ее токопроводящих элементах токи, поступающие в коаксиальный кабель. В зависимости от конструкции антенны с направленными свойствами удается получить сигнал разной мощности. В связи с этим вводят понятие коэффициента направленного действия тв антенны, показывающего, во сколько раз сигнал на ее выходе превышает сигнал от полуволнового вибратора, если его поместить в то же место пространства.

Телевизионная антенна с усилителем

Фактический коэффициент усиления по мощности с учетом потерь составит:

К р = КНД∙η,

где η – коэффициент полезного действия, учитывающий потери.

Применение

Уровень электрического сигнала, приходящего через вход антенны телевизора, не всегда устраивает пользователя. Чтобы улучшить работу приемника, нужен усилитель сигналов, расположенный вблизи. Особенно он требуется за пределами города, где нет кабельной сети.

На даче условия приема сигнала хуже, чем в городе. На него оказывают влияние помехи и удаленность от телецентра. Несмотря на то, что тв усилитель незначительно искажает входной сигнал, специалисты рекомендуют его применять.

На высотках сигнал поступает сверху вниз и значительно ослабевает в конце. Если у него малая мощность, она в большой степени затухает до гнезда подключения. В кабеле сигнал теряется на 0,2-0,7 дБ/м.

Выбор усилителя

Антенный усилитель подключают как можно ближе к тв антенне. Размещение около приемника приводит к усилению шума вместе с передаваемым сигналом, изображение будет хуже. Блок питания может размещаться около усилителя, а также отдельно.

Домашняя антенна, выполненная вместе с усилителем

Параметры, определяющие правильный выбор усилителя, следующие:

• расстояние от телецентра;
• необходимый диапазон частот;
• тип антенны, для которой усиливается сигнал.

Предельное расстояние до источника передачи сигнала не должно превышать 150 км. На удалении менее 10 км усилитель обычно не устанавливают, поскольку уровень сигнала достаточно высокий. Для получения нормального сигнала целесообразно хорошо подобрать антенну. Как сделать антенну для телевизора своими руками из проволоки .

Коэффициент усиления не должен быть слишком большим, иначе от самовозбуждения может появиться значительный шум. Множество выпускаемых моделей имеют разные характеристики. Здесь стоит обратиться к мастеру, который знает, как улучшить прием, и поможет подобрать необходимое устройство. Установка на антенну широкополосного усилителя дает возможность охватывать весь диапазон телевещания.

В России распространены антенны с усилителями польского производства (фирма ANPREL). Собственное усиление у них небольшое, и параметры в основном определяются дополнительным усилителем. Ему присущи следующие недостатки: самовозбуждение, высокий уровень создаваемых шумов, перегрузка от мощных сигналов диапазона МВ, повреждается от грозовых разрядов, пассивные потери на выходе.

В своем большинстве тв усилители работают по стандартной двухкаскадной схеме на основе биполярных транзисторов высокой частоты с общим эмиттером.

Усилители на двух каскадах: SWA-36 (а) и SWA-49 (б)

Усилительный каскад захватывает широкополосную полосу. Входной сигнал подается на базу транзистора (Т1) через конденсатор (С1). Необходимая линейная характеристика в нем создается подачей напряжения смещения через резистор (R1). Но при этом коэффициент усиления уменьшается. Следующий каскад создан по аналогичной схеме со стабилизацией транзистора (Т2) в эмиттерной цепи обратной связью через резистор (R4).

Значительно повышать К р антенного усилителя не рекомендуется, поскольку он создает свой шум, который усиливается вместе с входным сигналом. Схему нетрудно сделать своими руками.

Улучшить схему можно, используя модель SWA-49. Это обеспечивается за счет использования фильтров L1C6, R5C4 и увеличения К р путем добавления конденсаторов (С5) и (С7).

Другие модели фирмы ANPREL немного отличаются от приведенных схем наличием цепей частотной коррекции на выходе и организацией обратной связи, от которой зависит величина коэффициента усиления. Если он находится близко к порогу устойчивости, существует большая вероятность самовозбуждения усилителя.

Телевизоры сами по себе имеют значительное усиление сигнала. Чем оно больше, тем выше становятся собственные шумы. Поэтому необходимо понимать, что на возможности приема могут оказывать влияние в большей степени свои шумовые помехи, чем слабый сигнал на входе. Сигнал должен быт не менее чем в 20 раз выше, чем напряжение собственных шумов. Ближе к этому значению изображение становится плохим, и мелкие детали уже не различаются.

На уровень собственного шума антенного усилителя максимальное влияние оказывает транзистор первого каскада. Правильно следует выбирать усилители по уровню шума, который не должен превышать 2 дБ. В инструкции он может быть не указан, но его можно найти в интернете или каталогах фирм.

Коэффициент усиления нужен в основном для компенсации потерь в кабеле. Особенно велики они на 21-60 каналах и составляют 0,25-0,37 дБ/м. Промышленный разветвитель добавляет потери, которые указываются на корпусе. При этом следует учитывать, что указанная величина затухания сигнала (обычно – 3,5 дБ) может отличаться на разных диапазонах длин волн. Это может быть максимальное или среднее значение. В любом случае надо брать заводское изделие, а не самодельное. Затем к суммарному затуханию следует добавить 12-14 дБ из расчета, чтобы улавливались слабые сигналы.

Как выглядит антенный разветвитель

Мощность сигнала антенны

Причин ослабления сигнала со спутниковой тарелки может быть несколько:

1. Сбой в настройке положения антенны. Бывает достаточно повернуть ее совсем немного. Если ослабли винты крепления, их следует подтянуть.
2. Появление неожиданной преграды, которую следует удалить или изменить месторасположение антенны.
3. Выход из строя кабеля. Лучшим вариантом является его замена. Важно качественно сделать крепление, чтобы он не болтался от ветра.
4. Чрезмерная длина кабеля. Подбирается более качественный или устанавливается усилитель.
5. Если все исправно, а сигнала недостаточно, следует приобрести антенну большего диаметра.

Усилитель сигнала для спутниковой тв антенны устанавливается между ней и ресивером. При длине кабеля 40 м затухание сигнала составит 40х0.37=14,8 дБ, а вместе с разветвителем – 18,3 дБ. Входной уровень приемника составляет 48-75 дБ. Если он будет близко к нижнему пределу, понадобится усилитель. Если взять модель ПЧ 20dB, у него коэффициент составит 20 дБ, что является достаточным для компенсации затухания.

Диапазон частот спутниковых антенн составляет 950-2400 МГц, для которого подходит данный усилитель (рис. ниже а). Также можно приобрести модель Gecen A05-20 с аналогичными параметрами (рис. б).

Спутниковые антенны (а) и усилитель для них (б)

Следует приобретать усилители, рассчитанные на диапазон частот работы телевизионной антенны. Верхний предел для эфирного телевидения составляет 950 МГц, а для спутникового – 2400 МГц.

Усилитель своими руками

Простое устройство на микросхеме своими руками можно собрать даже новичку. Оно не создает большие помехи, практически не потребляет энергию и работает на частотах до 900 МГц.

Микросхема усилителя, собрать который можно своими руками

Основой схемы является микросхема малошумящего низковольтного усилителя (питание 2,7-5,5 В). Схема потребляет ток всего 3 мА. Напряжение подается на вход (1). Смещение в рабочую зону создает резистор (R1), подключенный ко входу (2). Входной сигнал от антенны поступает на вывод (6), а усиленный – снимается с вывода (3) и поступает к приемнику. К микросхеме добавлены конденсаторы (С1-С3), отделяющие переменные сигналы от постоянной составляющей напряжения источника питания. При правильной сборке схему не нужно настраивать.

Своими руками можно также сделать устройства по ранее приведенным схемам, например, типа усилителей SWA.

Как улучшить сигнал. Видео

О том, как улучшить сигнал телевизионной антенны, расскажет видео ниже.

Лучше приобретать антенны и усилители тв заводского исполнения, поскольку они выполнены по расчетам. Если сделать устройства самостоятельно, по качеству они будут на порядок ниже. Для тв приема на даче необходимо иметь устройства высокого качества из-за дальности от телецентра и наличия большого количества помех.

Несмотря на бурное развитие спутникового и кабельного телевидения, прием эфирного телевещания все еще остается актуальным, например, для мест сезонного проживания. Совсем не обязательно для этой цели покупать готовое изделие, домашняя дециметровая (ДМВ) антенна может быть собрана своими руками. Прежде чем переходить к рассмотрению конструкций, кратко расскажем, почему выбран именно этот диапазон телевизионного сигнала.

Почему именно ДМВ?

Есть две весомые причины, чтобы остановить свой выбор на конструкциях этого типа:

1. Все дело в том, что большинство каналов транслируется в этом диапазоне, поскольку упрощается конструкция ретрансляторов, а это дает возможность установить большее число необслуживаемых маломощных передатчиков и тем самым расширить зону покрытия.
2. Для трансляции «цифры» выбран этот диапазон.

Комнатная антенна для ТВ «Ромб»

Эта простая, но, в то же время, надежная конструкция, была одной из самых распространенных в эпоху расцвета эфирного телевещания.

Как видно из эскиза (B рис. 1), устройство представляет собой упрощенный вариант классического зигзага (Z-конструкции). Для увеличения чувствительности, ее рекомендуется оборудовать емкостными вставками («1» и «2»), а также рефлектором («А» на рис.1). Если уровень сигнала вполне приемлем, делать это не обязательно.

В качестве материала можно использовать алюминиевые, медные, а также латунные трубки или полосы шириной 10-15 мм. Если планируется устанавливать конструкцию на улице, то лучше отказаться от алюминия, поскольку он подвержен коррозии. Емкостные вставки изготавливаются из фольги, жести или металлической сетки. После установки, они пропаиваются по контуру.

Кабель укладывается так, как продемонстрировано на рисунке, а именно: не имел резких изгибов и не покидал пределов боковой вставки.

Дециметровая антенна с усилителем

В местах, где в относительной близости не расположена мощная ретрансляционная башня, можно поднять уровень сигнала до приемлемого значения при помощи усилителя. Ниже представлена принципиальная схема устройства, которое может использоваться практически с любой антенной.

Перечень элементов:

• Резисторы: R1 – 150 кОм; R2 – 1 кОм; R3 – 680 Ом; R4 – 75 кОм.
• Конденсаторы: С1 – 3,3 пФ; С2 – 15 пФ; С3 – 6800 пФ; С4, С5, С6 – 100 пФ.
• Транзисторы: VT1, VT2 – ГТ311Д (можно заменить на: KT3101, KT3115 и KT3132).

Индуктивность: L1 – представляет собой бескаркасную катушку диаметром 4 мм, намотанную медным проводом Ø 0,8 мм (необходимо сделать 2,5 витка); L2 и L3 – высокочастотные дроссели 25 мкГн и 100 мкГн, соответственно.

Если схема собрана правильно, мы получим усилитель со следующими характеристиками:

• полоса пропускания от 470 до 790 МГц;
• коэффициенты усиления и шума – 30 и 3 дБ, соответственно;
• величина выходного и входного сопротивления устройства соответствует кабелю RG6 – 75 Ом;
• устройство потребляет порядка 12-14 мА.

Обратим внимание на способ подачи питания, оно осуществляется непосредственно по кабелю.

Данный усилитель может работать с самыми простыми конструкциями, сделанными из подручных средств.

Комнатная антенна из пивных банок

Несмотря на необычность конструкции, она вполне работоспособна, поскольку представляет собой классический диполь, тем более, что размеры стандартной банки отлично подходят для плеч вибратора дециметрового диапазона. Если устройство установлено в комнате, то в этом случае даже не обязательно согласование с кабелем, при условии, что он не будет длиннее двух метров.

Обозначения:

• А – две банки объемом 500 мг (если взять жестяные, а не алюминиевые, то можно припаять кабель, а не использовать саморезы).
• B – места крепления экранирующей оплетки кабеля.
• С – центральная жила.
• D – место крепления центральной жилы
• E – кабель, идущий от телевизора.

Плечи этого экзотического диполя необходимо закрепить на держателе, сделанного из любого изоляционного материала. В качестве такового можно использовать подручные вещи, например, пластиковую вешалку для одежды, перекладину швабры или кусок деревянного бруса соответствующих размеров. Расстояние между плечами от 1 до 8 см (подбирается эмпирическим путем).

Основные преимущества конструкции – быстрое изготовление (10 – 20 минут) и вполне приемлемое качество «картинки», при условии достаточной мощности сигнала.

Делаем антенну из медной проволоки

Существует конструкция, значительно проще предыдущего варианта, для которой потребуется только кусок медной проволоки. Речь идет о рамочной петлевой антенне узкого диапазона. Такое решение имеет несомненные преимущества, поскольку помимо своего основного назначения, устройство играет роль селективного фильтра, снижающего помехи, что позволяет уверенно принимать сигнал.

Для данной конструкции необходимо рассчитать длину петли, чтобы сделать это, нужно узнать частоту «цифры» для вашего региона. Например, в Санкт-Петербурге она транслируется на 586 и 666 МГц. Формула расчета будет следующей: L R = 300/f, где L R – это длина петли (результат представлен в метрах), а f – усредненный частотный диапазон, для Питера это значение будет равно 626 (сумма 586 и 666, деленная на 2). Теперь рассчитываем L R , 300/626 = 0,48, значит, длина петли должна быть 48 сантиметров.

Если взять толстый RG-6 кабель, где имеется фольга в оплетке, то его можно использовать вместо медной проволоки для изготовления петли.

Теперь расскажем, как собирается конструкция:

• Отмеряется и отрезается кусок медной проволоки (или RG6 кабеля) длиной, равной L R .
• Сворачивается петля подходящего диаметра, после чего к ее концам припаивается кабель, идущий к ресиверу. Если вместо медной проволоки используется RG6, то предварительно снимается изоляция с его концов, примерно на 1-1,5 см (центральную жилу очищать не надо, она в процессе не участвует).
• Петля устанавливается на подставку.
• На кабель к ресиверу накручивается F разъем (штекер).

Заметим, несмотря на простоту конструкции, она наиболее эффективна для приема «цифры», при условии, что правильно проведены расчеты.

Комнатная антенна МВ и ДМВ своими руками

Если помимо ДМВ есть желание принимать и МВ, можно собрать простую мультиволновку, ее чертеж с размерами представлен ниже.

Для усиления сигнала в данной конструкции используется готовый блок SWA 9, если возникли проблемы с его приобретением, можно использовать самодельное устройство, схема которого была приведена выше (см. рис. 2).

Важно соблюдать угол между лепестками, выход за пределы указанного диапазона существенно отражается на качестве «картинки».

Несмотря на то, что такое устройство значительно проще логопериодической конструкции с волновым каналом, тем не менее, оно показывает неплохие результаты, если сигнал достаточной мощности.

Антенна восьмерка для цифрового ТВ своими руками

Рассмотрим еще один распространенный вариант конструкции для приема «цифры». В основу положена классическая схема для ДМВ диапазона, из-за своей формы получившей название «Восьмерка» или «Зигзаг».

Размеры конструкции:

• внешние стороны ромба (А) – 140 мм;
• внутренние стороны (В) – 130 мм;
• расстояние до рефлектора (С) – от 110 до 130 мм;
• ширина (D) – 300 мм;
• шаг между прутьями (Е) – от 8 до 25 мм.

Место подключения кабеля в точках 1 и 2.Требования к материалу такие же, как у конструкции «Ромб», о которой рассказывалось в начале статьи.

Самодельная антенна для DBT T2

Собственно, все перечисленные выше примеры способны принимать DBT T2, но для разнообразия приведем эскиз еще одной конструкции, называемой в народе «Бабочка».

В качестве материала можно использовать пластины из меди, латуни, алюминия или дюрали. Если конструкцию планируется устанавливать на улице, то последние два варианта не подходят.

Итог: на каком варианте остановиться?

Как ни странно, но самый простой вариант наиболее действенный, поэтому «петля» лучше всего подходит для приема «цифры» (рис. 4). Но, если требуется принимать и другие каналы в дециметровом диапазоне, то лучше остановиться на «Зигзаге» (рис. 6).

Антенна для телевизора должна быть направлена в сторону ближайшего активного ретранслятора, чтобы выбрать нужное положение, следует вращать конструкцию, пока мощность сигнала не станет удовлетворительной.

Если, не смотря на наличие усилителя и рефлектора, качество «картинки» оставляет желать лучшего, можно попробовать установить конструкцию на мачту.

В этом случае необходимо обязательно установить молниезащиту, но это уже тема другой статьи.

Применение усилителя с высокой селективностью может существенно улучшить прием сигналов ДМВ - станций, а также избавит от помех соседних близкорасположенных станций. За основу был взят блок СК-Д-1, который использовался в лампово - полупроводниковых телевизорах. Несложная переделка СК-Д-1, которую может выполнить даже начинающий радиолюбитель, позволяет получить усилитель ДМВ - сигналов с хорошими эксплуатационными характеристиками:

К достоинствам такого усилителя можно отнести высокую селективность, значительное подавление помех на соседних каналах. Есть и недостаток - это необходимость перестройки (вращением ручки ротора) при переключении на другой канал. Однако, если будет вестись прием на одном ДМВ - канале, то необходимость перестройки отпадает.

Кратко рассмотрим исходную схему СК-Д-1.

Рис.1

В первой камере расположен первый каскад блока, выполненный на транзисторе Т1, который работает в режиме усиления с ОБ. Резонатор L1 обеспечивает согласование входа с антенной, L2 с емкостями С11 и С12 образует перестраевымый входной контур для настройки на нужный канал. Коллектор транзистора Т1 нагружен на контур L4 С13 С14, который расположен во второй камере. Далее сигнал проходит на контур L5 С15 С18, расположенный в третьей камере. Благодаря индуктивности L6 сигнал попадает на эмиттер транзистора Т2. На транзисторе Т2 собран преобразователь ВЧ сигнала в ПЧ телевизора. Транзистор Т2 включен по схеме емкостной трехточки, нагрузкой каскада является Др1, который вместе с С17,С18,С8,L7,С20 расположен в четвертой камере.

Переделка СК-Д-1 сводится к следующему:

Так как в реальных условиях первый каскад на транзисторе Т1 управляется системой АРУ телевизионного приемника, необходимо установить обычный, без АРУ, режим работы путем введения делителя напряжения на двух резисторах;

Переводу второго каскада на транзисторе Т2 из режима преобразования в режим усиления, что достигается удалением нескольких элементов.

Перед тем как приступить к работе, следует помнить, что обращаться с блоком нужно осторожно, т.к. малейшие изменения в расположении деталей при неаккуратной разборке могут являться причиной расстройки цепей с резонансными контурами.

Итак, сняв пружинную планку на верху крышки, осторожно снимите саму крышку. Счет камер (а их всего 5) ведется начиная от гнезда антенного входа. Внимательно осмотрите внутренний монтаж. Внутри не должно быть явных повреждений - обгоревших и обломанных резисторов, конденсаторов. При вращении ручки верньерного механизма движение пластин счетверенного конденсатора должно быть свободным, без замыкания пластин между собой или с другими элементами. При работе с блоком нельзя изменять положение подстроечных конденсаторов, выполненных в виде посеребренных пластин и расположенных перед секциями переменного конденсатора, а также резонансных линий, выполненных в виде посеребренных шин и отрезков проводов.

Аккуратно выпаяйте следующие элементы:
- С8, С20, Др1 - которые расположены в 4-ой камере;
- L8, Др2 и R7 - которые расположены в 5-ой камере. Резистор R7 в некоторых экземплярах СК-Д-1 может отсутствовать.

Далее необходимо определить марку транзисторов, которые имеются в Вашем блоке СК-Д-1. Дело в том, что вместо транзисторов, указанных на схеме рис.1, могут быть и другие, например AF-239 и AF-139, которые являются аналогами транзисторов ГТ346А и ГТ346Б соответственно. Если в качестве Т2 установлен транзистор ГТ346Б или AF-139, то его придется удалить и заменить на ГТ346А. Транзисторы этого типа применяются практически во всех блоках СК-Д, а также в блоках СК-М с электронной настройкой, так что в принципе найти такой транзистор не сложно. Перед установкой нового транзистора его следует проверить. Если проверка будет производится омметром, следует помнить что напряжение питания омметра может превышать допустимое обратное напряжение эмиттерного перехода. Поэтому, определяя исправность транзистора омметром, не следует использовать низкоомные пределы омметра. Если есть возможность выбора из нескольких транзисторов, то следует выбрать транзистор с возможно большим h21э.

Перед установкой транзистора необходимо его общий вывод (“корпус”) соединить пайкой с корпусом самого транзистора. Над окном камеры, в котором расположен транзистор, может находится отрезок тонкой посеребренной проволоки. Этот отрезок является “хвостиком” L6. Поэтому ни в коем случае не пытайтесь удалить его путем отпайки. Из-за разогрева может измениться положение L6 в пространстве, что приведет к расстройке контура. Удаление можно проделать, откусив “хвостик” бокорезами. Корпусной вывод транзистора Т2 следует просунуть в небольшое отверстие, которое имеется под резистором R8 и распаять его со стороны 4-ой камеры. Вывод коллектора следует припаять в ту же точку на L7, в которую был припаян вывод изъятого транзистора. Осторожно припаяйте выводы эмиттера и базы, не перегревая места пайки, так как местами пайки являются конденсаторы малой емкости, которые при перегреве могут разрушиться.

Рис.2

Рис.3

Установите движок резистора Rд2 в среднее положение. Подав напряжение +12 вольт на схему, вращением движка резистора Rд1 устанавливают напряжение +9,5 В на эмиттере и +9 В на базе транзистора Т1. Затем отключив питание, измеряют общее сопротивление резисторов Rд2 и Rд3. Подбирают резистор типа МЛТ-0,125 с номиналом, близким к измеренному и устанавливают его как резистор R8 на рис.2, Rд1 останется в схеме как R9. В схему подают питание, и контролируют напряжения на выводах транзистора Т1.

Работу первого каскада можно проконтролировать визуально, по изображению на экране телевизора. Для этого настраивают телевизор на один из каналов ДМВ, который принимается с плохим качеством. Затем отключив антенный кабель от входа телевизора подключают его к входу усилителя. Отрезок кабеля РК-75 с распаянным на одном конце штеккером подключают на вход “ДМВ” телевизора. Оплетку другого конца кабеля припаивают к корпусу усилителя, а центральную жилу через конденсатор емкостью 4,7 пФ. припаивают в месте распайки вывода коллектора транзистора Т1. Хотя точка максимума сигнала находится на L4 ближе к корпусу, не стоит припаиваться в тех местах, где нет заводской пайки, во избежании ухудшения параметров контура.

Включив питание усилителя, плавным вращением верньерного механизма настраиваются до получения изображения на экране. Изображение должно быть лучшего качества в сравнении с тем, что было до включения антенны через усилитель. Затем проверяют работу контура L5 С15 С18. Для этого оключив питание и отпаяв “контрольный” кабель от L4 подпаивают его к месту соединения L5 и С15. Снова включают питание усилителя и контролируют сигнал по качеству изображения, при этом не должно наблюдаться ухудшения качества изображения.

Настройка второго каскада аналогична. Отключив питание усилителя, впаивают на место резистор R6, а вместо снятого резистора R4 устанавливают подстроечный, номиналом 5,1...10 кОм, и устанавливают его движок в среднее положение. Затем “контрольный” кабель через емкость 4,7 пФ подпаивают к точке пайки коллектора транзистора Т2 и включают питание. Плавно вращая движок резистора добиваются установки режимов транзистора Т2 с такими же значениями как и у Т1. Затем снимают питание, измеряют сопротивление переменного резистора и впаивают вместо него резистор МЛТ с номиналом, близким к измеренному. В заключении удаляют гнездо КТ1 и проходной конденсатор С9. В образовавшиеся отверстия просовывают кабель РК-75, который будет подключаться к телевизору. Оплетку кабеля распаивают на “корпус”, а центральную жилу через конденсатор С к L7, подобрав точку пайки экспериментальным путем, по наилучшему качеству изображения.

Усилитель можно заключить в любой подходящий декоративный корпус. Если усилитель будет использоваться на нескольких каналах, то удобно сделать на корпусе метки нужных каналов, а на ручке настройки риску.

И в заключении о дальнейшем усовершенствовании.

Автор не считает целесообразным для повышения чувствительности включать до входа устройства широкополосные усилители, так из-за неравномерности АЧХ и большого уровня шумов таких устройств может резко снизиться качество приема на высокочастотных или даже на всех каналах. Неплохие результаты может дать включение одно- или двухкаскадного широкополосного усилителя после выхода данного усилителя. В этом случае придется тщательно согласовать вход/выход обоих усилителей.

Радиолюбитель, N8, 2000г., с25-26

Постановка задачи

Рассмотрим довольно распространенную ситуацию, когда необходимо улучшить качество телевизионного приема в диапазоне ДМВ.

Пусть у нас имеется отдельная антенна дециметрового диапазона, установленная на довольно значительном расстоянии от телевизора вне помещения. Качество приема телевизионных станций в данном диапазоне (450...800 МГц) нас не удовлетворяет и мы хотим его улучшить (заметим, что эти станции все-таки принимаются, хотя и плохо). Вещание в дециметровом диапазоне происходит из той же точки, откуда мы с приемлемым качеством принимаем станции метрового диапазона. Менять местоположение и конструкцию антенны мы не хотим.

Построение развернутой блок-схемы

Во-первых, проанализируем проблему несколько подробнее и для начала попытаемся выяснить основные причины плохого приема сигналов в диапазоне ДМВ, тем более что та же телебашня вещает и в диапазоне МВ, качество сигнала в котором нас вполне устраивает.

Первое, что приходит в голову, -- это низкая эффективность применяемой нами ДМВ-антенны. Однако на практике телевизионные антенны ДМВ обычно имеют гораздо более сложную конструкцию и более эффективны, чем типичные бытовые антенны метрового диапазона. Причина в другом -- энергия излучения телевизионных передатчиков, используемых на телецентре, очень часто ниже в диапазоне ДМВ, чем в диапазоне МВ (это обусловлено, в основном, не столько техническими, сколько организационными факторами: менее "крутым" каналам -- менее "крутые" частоты и технику), а кроме этого, и затухание дециметровых волн в атмосфере гораздо выше. В результате энергия полезного сигнала, принятая антенной и переданная в кабель, очень мала. Дополнительную лепту вносит сам кабель, соединяющий антенну с телевизором. Ведь с увеличением частоты увеличивается и удельное затухание сигнала в кабеле. Так что до телевизора доходит лишь слабенький, забитый шумами сигнал, который уже не может обеспечить надлежащее качество. Выходом из положения является применение антенного усилителя, который повысит мощность полезного сигнала, поступающего в телевизор.

Заметим, что определенное влияние на качество приема имеет чувствительность самого телевизора. Современные телевизоры имеют очень высокую чувствительность, и мы будем исходить из того, что раз уж сигнал не может быть с надлежащим качеством воспроизведен самим телевизором, то и все наши меры по его дополнительному усилению непосредственно перед передачей в телевизор не имеют смысла. Так что усиливать сигнал надо сразу после приема его антенной -- до того, как он будет существенно ослаблен из-за затухания в длинном кабеле. А это означает, что наш усилитель будет находиться там же, где и антенна, -- вне помещения, подвергаясь при этом самым разнообразным природным воздействиям. Все это нам предстоит учесть при проектировании.

Перво-на-перво, нам следует определиться с тем, какое конкретно усиление мы хотим получить от нашего усилителя. Во многом это зависит от длины и типа примененного кабеля, а также от чувствительности телевизора. В большинстве случаев уровень в 10...15 дБ можно считать вполне приемлемым, так что будем стремиться именно к нему.

Теперь наконец мы можем приступить и к построению блок-схемы нашего усилителя. Начнем со входного узла.

Итак, перед нами стоит задача усилить очень слабый высокочастотный сигнал, внеся в него при этом минимум искажений (шумов). По всей видимости, с этой задачей лучше всего справится один из рассмотренных нами усилителей с ОБ. Например, усилитель с внутрикаскадной трансформаторной ООС, изображенный на рис. 5.23. Посмотрим, какие у нас могут возникнуть проблемы.

Усилители с ОБ характеризуются относительно низким по сравнению с каскадами с ОЭ динамическим диапазоном и повышенной склонностью к самовозбуждению. В нашем случае узкий динамический диапазон может стать некоторой преградой. Дело в том, что мощные сигналы, излучаемые телецентром в метровом диапазоне волн, могут попасть на вход усилителя и возбудить его. Чтобы предотвратить это, нам придется включить на входе первого каскада фильтр высоких частот, который будет подавлять нежелательные сигналы и обеспечит устойчивую работу усилителя. Дополнительной функцией такого фильтра станет согласование импедансов между антенным кабелем и входом первого усилительного звена. Все остальные части усилителя мы будем стараться выполнить максимально широкополосными. Это необходимо, во-первых, потому что диапазон ДМВ достаточно широк, а во-вторых, для обеспечения минимального уровня искажений усиливаемого сигнала.

После прохождения первого каскада усиления уровень полезного сигнала уже может оказаться довольно высоким (однако, учитывая наличие ФВЧ, усиление на 10...15 дБ достигнуто не будет). Это означает, что строить последующий каскад также по схеме с ОБ несколько рискованно - придется опять решать проблему динамического диапазона. Поэтому во втором каскаде усилителя применим решение с ОЭ. Например, схему с трансформаторной ООС, представленную на рис. 5.11. Мы опять используем решение с широкополосным трансформатором, поскольку именно оно в данном случае наилучшим образом отвечает нашим требованиям.

Двух каскадов усиления уже достаточно для достижения поставленной задачи (10...15 дБ), и мы можем перейти к следующему вопросу - организации питания и способам задания исходных рабочих точек всех элементов усилителя.

Здесь пришла пора снова вспомнить об условиях, в которых будет эксплуатироваться наш усилитель. А это, во-первых, широкий диапазон температур окружающей среды (-30...+40°С), а во-вторых, значительная удаленность от источника питания (если только мы не станем использовать батарейку, закрепляемую рядом с усилителем). Широкий температурный диапазон означает, что мы должны принять особые меры по стабилизации исходных рабочих точек для всех транзисторов усилителя, а удаленность от источника питания - что из-за длинного шлейфа питания, возможно, проходящего вблизи разнообразных источников наводок, напряжение, подаваемое к усилителю, не будет стабильным. Анализируя условия работы первого каскада, мы неизбежно придем к заключению, что для него высокая стабильность режима по постоянному току - это одно из важнейших требований, к соблюдению которого мы должны приложить максимум усилий. Действительно, от текущего режима работы транзистора по постоянному току довольно сильно зависят такие показатели, как: коэффициент усиления, коэффициент шума, динамический диапазон. А мы никак не можем допустить сколь-либо значительного дрейфа этих параметров (по крайней мере, во входном каскаде нашего усилителя). Таким образом, нам необходимо принять особые меры по обеспечению стабильности исходной рабочей точки в первом каскаде. Требуемую стабильность нельзя обеспечить с помощью таких простых цепей смещения, как подробно рассмотренные нами в главе 3, - мы должны использовать более сложное решение, например один из вариантов с источником тока, показанный на рис. 3.40. При рассмотрении высокочастотных усилителей с ОБ мы уже приводили пример с источником тока (рис. 5.31), им и воспользуемся.

Требования к стабильности исходной рабочей точки во втором каскаде оказываются не столь жесткими, и мы можем слегка "расслабиться" и применить, например, схему эмиттерно-базовой стабилизации с ООС по току и напряжению с дополнительным термокомпенсирующим диодом (рис. 3.18 и рис. 3.23).

Поскольку напряжение питания может оказаться нестабильным, нам придется встроить в усилитель простейший стабилизатор напряжения, постаравшись и в нем обеспечить высокую температурную устойчивость.

Итак, мы определились с деталями исполнения обоих усилительных звеньев и системы питания. Осталось только пару слов сказать о входном фильтре. Он может быть достаточно простым, поскольку у нас нет надобности в особенно высокой избирательности. На практике удобнее всего оказывается обычный Т-образный фильтр 3-го порядка (два конденсатора и одна индуктивность), вносящий относительно небольшое затухание в полезный сигнал.

Наконец мы можем построить полную блок-схему нашего будущего усилителя. Она представлена на рис. 6.4.

Рис.6.4.

Выбор элементной базы и построение полной принципиальной схемы

В нашем случае выбор элементной базы в первую очередь состоит в выборе двух маломощных высокочастотных транзисторов, которые мы будем использовать в основных усилительных звеньях. Основное требование к этим транзисторам - высокая граничная частота коэффициента передачи тока базы (если мы хотим обеспечить равномерную АЧХ во всем диапазоне 450...800 МГц и иметь минимум проблем при настройке усилителя, то нам необходимо выбирать транзисторы с граничной частотой порядка 4.,.8 ГГц).

С точки зрения соотношения цена/качество вполне приемлемыми оказываются приборы типа КТ3101А-2. В выбранном частотном диапазоне они обеспечивают коэффициент шума на уровне менее 2 дБ, а граничная частота коэффициента передачи тока составляет порядка 4,5 ГГц. Конечно, мы можем использовать и более высокочастотные транзисторы, например КТЗ 115 или КТЗ 132 (ГГц), однако это в большинстве случаев уже не является оправданным с ценовой точки зрения.

Рис. 6.5.

Приведем здесь некоторые важнейшие справочные данные о транзисторе КТ3101А-2 (в дальнейшем они нам понадобятся для выбора режима работы по постоянному току).

* Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ (ст) При =1В, = 5мА:

Т=+25°С 35...300;

Т=-60°С 17,5...300;

Т=+125°С 35...500.

• * Граничная частота коэффициента передачи тока базы при = 5В, = 10мА (типовое значение): ...4,5 ГГц.
• * Минимальный коэффициент шума при

2 В, = 2 мА, f= 1 ГГц

• (типовое значение): 1,9 дБ.
• * Оптимальный коэффициент усиления по мощности при

2 В, = 2 мА, f = 1 ГГц (типовое значение): 7 дБ

* Обратный ток коллектора при = 15 В:

Т=+25°С……………………………………...0,5 мкА

T=+125°С…………….……………………….…5мкА

* Максимальное постоянное напряжение

коллектор-база:…………………………………..……15 В

* Максимальный постоянный ток коллектора

и эмиттера:………………………………………..….20 мА

* Максимальная постоянная рассеиваемая мощность

коллектора при Т +45°С:………………………...100 мВт

Из представленных данных видно, что оптимальное (по соотношению сигнал/шум) значение коэффициента усиления по мощности достигается при = 2 В, = 2 мА. Было бы логичным выбрать именно эти значения для режима работы транзистора первого каскада. Однако вспомним о том, что нам необходимо иметь относительно широкий динамический диапазон. Поэтому несколько изменим эти показатели в сторону увеличения и выберем для первого каскада: = 4 В, = = 4 мА. Динамический диапазон второго каскада должен быть еще шире, и, хотя здесь мы уже применяем схему с ОЭ, нам придется еще раз увеличить все электрические показатели по постоянному току. Для второго каскада выберем: = 6 В, = = 10 мА. Теперь нам осталось определиться с элементами в источнике тока и стабилизаторе напряжения. Это низкочастотные узлы, в которых нет смысла применять какие-то особенные транзисторы. Поэтому договоримся использовать широко распространенные приборы КТ3102 (когда нам нужен транзистор п-р-п-типа) или КТ3107 (когда нам нужен транзистор р-п-р-типа). Такой же принцип (дешевизна и широкое распространение) будем использовать и при выборе всех остальных элементов устройства (диоды, стабилитроны и т.п.).

В качестве внешнего источника питания применим простейший маломощный сетевой источник бытового назначения (от калькулятора, телефона, плейера и т.п.) с выходным напряжением 12 В. Для подачи питающего напряжения в усилитель можно было бы использовать сам антенный кабель. Но мы упростим себе жизнь, если предусмотрим отдельный шлейф для напряжения питания (не надо включать ряд согласующих элементов, увеличивающих к тому же потери сигнала).

Приняв во внимание все изложенные выше рассуждения, мы наконец можем построить полную принципиальную схему нашего усилителя. Она представлена на рис. 6.6.

Казалось бы, теперь пора перейти к следующему шагу проектирования - расчету номиналов элементов. Однако правильнее будет проанализировать полученную принципиальную схему на предмет оптимального построения согласующих цепей, расположенных на стыках отдельных звеньев. Ведь мы брали просто типовые схемные решения и не рассматривали вопросы правильного согласования их между собой.

Рис.6.6.

Внимательное рассмотрение первого звена показывает, что резисторы выполняют схожие в чем-то функции, и мы можем слегка модифицировать схему, совместив

эти два резистора. При этом образуется дополнительный контур обратной связи по напряжению. В то же время для сохранения баланса в каскаде нам придется ввести дополнительный резистор в коллекторную цепь транзистора VT2 Итоговая схема модифицированного таким образом звена представлена на рис. 6.7.

Теперь обратимся к вопросу согласования импедансов в точке соединения первого и второго каскадов усилителя. Вспомним, что входное сопротивление усилителя с ОЭ, примененного во втором каскаде, довольно велико (> 1 кОм). В свою очередь, выходное сопротивление первого каскада с ОБ в рассматриваемом случае составляет десятки ом (~ 50 Ом). Для достижения Согласования мы можем прибегнуть к нескольким методам. Например, задав индуктивность дросселя L3 такой, чтобы в рабочем диапазоне частот его эквивалентное сопротивление приблизительно равнялось выходному сопротивлению первого каскада. Однако диапазон рабочих частот усилителя весьма широк и эквивалентные сопротивления 13 на краях этого диапазона окажутся сильно различающимися, так что достичь полного согласования будет нельзя. Самое простое в данном случае - заменить дроссель L3 на обыкновенный резистор, чье сопротивление не зависит от частоты и будет оставаться одинаковым при любом входном сигнале. Вместо L3 мы также можем использовать дополнительный согласующий трансформатор на входе второго каскада (аналогично рис. 5.27). И наконец, наиболее радикальное решение - модификция трансформатора Тр1 с целью получения более высокого выходного импеданса Тут стоит отметить, что избежать всех этих сложностей с согласованием мы могли бы в том случае, если бы вместо схемы с ОЭ стали использовать во втором каскаде схему с ОБ, аналогичную той, что мы применили в первом каскаде усилителя. Практика показывает, что в данном случае итоговая настройка усилителя была бы несколько проще. Но здесь мы руководствовались только теоретическими критериями и выбрали иное решение. Будем придерживаться нашего выбора и далее, однако обратим внимание читателя на то, что при проектировании любых устройств немалое значение играет и практический опыт. Что же касается конкретного усилителя, то при его повторении можно использовать как решение с ОЭ, так и решение с ОБ, оставляя неизменными цепи смещения и режимы работы транзисторов по постоянному току.

Нельзя назвать построенную нами схему идеальной. Однако вспомним, что при ее составлении мы опирались только на такие схемотехнические решения, работа которых нами подробно изучена в предыдущих главах настоящей книги. Тем не менее эта схема вполне работоспособна, и мы можем приступить к ее окончательному расчету.

Расчет параметров всех элементов

Нет необходимости расписывать данный пункт слишком подробно. Тем более что для расчетов мы будем использовать компьютер, а интерес для нас представляют только окончательные результаты. Имеет смысл пояснить только некоторые базовые положения.

При расчете входного фильтра мы будем полагать частоту среза равной ~ 400 Мгц. Сама методика расчета подобных фильтров широко описана в литературе , и здесь мы ее излагать не станем.

Емкости блокировочных и фильтрующих конденсаторов будем выбирать достаточно большими (до разумного предела), так чтобы их эквивалентное сопротивление в рабочем диапазоне частот оказывалось очень малым (< 1 Ом)2.

Окончательная принципиальная схема усилителя со всеми номиналами элементов представлена на рис. 6.8.

В заключение следует сказать несколько слов об особенностях конструктивного исполнения трансформаторов и других индуктивностей, а также определить их намоточные данные. Сразу же отметим, что мы будем придерживаться именно такой конструкции, которая была подробно описана нами при рассмотрении свойств высокочастотных усилительных каскадов с трансформаторными обратными связями (разделы 5.2, 5.3). Тем не менее это не единственный и не самый оптимальный вариант исполнения широкополосных трансформаторов для того диапазона частот, в котором будет работать наш усилитель. Основной проблемой здесь является наличие ферритового сердечника. Из-за разнообразных технологических ограничений использование таких сердечников на частотах более 100...200 МГц приводит к значительному росту потерь в трансформаторах. Именно поэтому мы должны применять максимально высокочастотный феррит (7ВН, 20ВН или ЗОВН). Практика показывает, что при хорошей настройке и качественной сборке более или менее приемлемое усиление на частотах до 500...600 Мгц можно получить и при применении сердечников из феррита 50ВН. Что же касается самих намоточных данных, то приводимые на рис. 6.8 значения следует рассматривать как ориентировочные. Настройка данного усилителя, собственно, и сводится к экспериментальному подбору количества витков в обмотках трансформаторов, плотности скручивания проводов в этих обмотках и, наконец, размещения этих обмоток на тороидальном сердечнике с целью получить максимальное усиление при отсутствии искажений. В трансформаторах можно использовать любой надежно изолированный медный провод диаметром 0,15...0,25 мм.

Катушка входного фильтра L1 бескорпусная, наматывается медным (желательно посеребренным) проводом диаметром 0,3...0,8 мм на оправке диаметром 6 мм. Количество витков - 6.

Дроссели 12,13 могут иметь различное конструктивное исполнение. Например, можно использовать обычные резисторы с высоким сопротивлением (~1 Мом), на которые наматывается тонким медным изолированным проводом 20...50 витков, а концы провода подпаиваются к выводам резистора.

Рис.6.8.

Разработка конструктивного исполнения, сборка и настройка

Рис.6.9. Размещение элементов на плате антенного усилителя

Прежде всего отметим, что печатная плата двухсторонняя. С той стороны, где располагаются компоненты, - это в основном экранирующий слой, соединяемый с землей схемы. К его поверхности припаиваются экранирующие перегородки из луженой жести, а также те выводы деталей, которые на схеме заведены на землю. На обратной стороне платы располагаются проводники, по которым не протекают высокочастотные сигналы, т.е. они относятся только к цепям смещения. Выводы всех деталей в высокочастотной части укорачиваются до минимума. При их пайке следует соблюдать максимальную осторожность, чтобы не вывести из строя перегревом. Перед изготовлением широкополосных трансформаторов следует учесть их расположение относительно других компонентов на плате и соответственным образом разместить на них обмотки

Рис.6.10.

Настройку усилителя начинают с регулировки стабилизатора и установки заданных режимов работы транзисторов по постоянному току. Выходное напряжение стабилизатора на транзисторах VТЗ, VТ4 в очень незначительных пределах может регулироваться резистором R7, в основном же оно зависит от напряжения стабилизации стабилитрона VD2. Применение указанного на схеме прибора Д814А обеспечивает выходное напряжение порядка 10 В. Если же его заменить, например на КС 168, то выходное напряжение составит около 9 В. Для нашей схемы важно, чтобы это напряжение было стабильным, его же абсолютная величина может выбираться из соображений удобства в диапазоне 8... 15 В. При изменении указанного на схеме значения 10 В следует откорректировать номинал резистора R9 так, чтобы напряжение на конденсаторе С11 при заданном токовом режиме (20 мА) составляло 8 В. Напряжение, подаваемое от внешнего источника питания, должно быть выше выходного напряжения стабилизатора (10 В) не менее чем на 1,5...2 В. При установке режимов работы по постоянному току в транзисторах основных усилительных каскадов может потребоваться подбор номинала сопротивления R3. Все остальные регулировки осуществляются только подстроечными резисторами R1 и R12.

Дальнейшая настройка усилителя сводится к подбору параметров широкополосных трансформаторов. От их конструктивного исполнения зависят практически все характеристики схемы. Значение имеют не только общее количество витков и глубина обратной связи (задается коэффициентом трансформации), но и особенности скручивания проводников, а также размещение обмоток на сердечнике.

Практика показывает, что в трансформаторе Тр1 лучше вообще не скручивать проводники обмоток, а просто разместить их на сердечнике вплотную или на небольшом расстоянии друг от друга. Глубина обратной связи в первом каскаде также не должна быть слишком сильной. При возникновении самовозбуждения можно пропорционально увеличить количество витков во всех обмотках (относительно указанного на схеме) в 1,5...3 раза. В трансформаторе Тр2, наоборот, следует скручивать проводники как можно плотнее. Глубина обратной связи подбирается здесь исходя из условия сохранения устойчивости усилителя. Общее количество витков также может быть пропорционально увеличено. Параметры выходной обмотки для достижения хорошего согласования с нагрузкой требуют подбора (скорее всего придется уменьшать количество витков в ней). Настройку входного фильтра можно произвести непосредственно наблюдая качество телевизионного изображения.

Следует заметить, что разработанная нами схема не является оптимальной для выбранного частотного диапазона и получить от нее требуемое усиление на ДМВ может оказаться довольно трудной задачей. Основная проблема уже называлась выше - значительное затухание высокочастотных сигналов на широкополосных трансформаторах. В то же время ее нельзя назвать и совершенно бесполезной. При минимальной модификации или исключении входного фильтра наш усилитель без каких-либо дополнительных доработок может использоваться и в метровой части диапазона (50...400 МГц). В этом случае его настройка значительно упрощается, поскольку основным требованием остается только отсутствие самовозбуждения, а вполне приличное усиление обеспечивается даже при сильном рассогласовании.