第七章 中频信号与伴音信号处理电路

1. 第七章 中频信号与伴音信号处理电路 7.1 中频信号处理电路 7.2 伴音信号处理电路 复习思考题

2. 7.1 中频信号处理电路 • 7.1.1 中频信号处理电路的主要性能要求 • 中频信号处理电路主要作用是对中频信号进行放大, 获得足够的增益, 吸收邻近的特殊干扰, 分离伴音信号和图像信号, 提供自动增益控制信号等。 主要性能要求如下。

3. 1. 具有足够大增益 • 电视机整机总增益主要由中频放大器提供, 并根据电视机整机灵敏度和显像管对调制电压的要求来确定各部分的增益。一般显像管要求视频调制信号峰峰值30~80V, 其值与屏幕大小、偏转角度有关, 彩色显像管比黑白显像管所需调制信号要大些。如果视放级供给36dB增益, 那么要求检波器输出的视频信号峰峰值应大于1V, 即USP≥1V。假设图像信号调幅波调幅度m=0.8~1, 检波器传输系数为Kd时, 则检波器输入的图像中频调幅信号峰峰值VIP与检波器输出的视频信号峰峰值USP可近似表示为 •  UIP≥ (7-1) (2~2.5)

4. 14 138~17 673 • 如果用峰值包络检波时, Kd≈0.5, 则UIP≈(4~5)USP≥(4~5) V。根据国标规定, 乙级机灵敏度EA应小于100μV (有效值), 则自接收机输入端至检波器输入端的增益为 则A(dB) =20lgA=83~85dB通常调谐器增益为20dB, 那么中频放大器增益应为65 dB。 如果采用集成电路同步检波器, 检波器增益大于20 dB, 根据(7-1)式则可以计算出中频放大器总增益只需37~39dB即可。

5. 2. 中频通道频率特性要求 • 中频通道应具有图7-2所示频率特性。图(a)为宽带型、 (b)为窄带型,分立元件电路两者均用, 采用声表面波滤波器的集成电路一般多用窄带型。 图 7-2 中频通道幅频特性

6. 图中38MHz为图像中频, 根据2.4节可知, 为了保留残留边带信号解调不失真, 必需要求38MHz对准特性斜边中点相对幅度50%处, 即幅度衰减为6dB处。伴音中频为31.5MHz, 处在相对幅度5%处, 比图像中频幅度低20倍, 即衰减为26dB, 以防止伴音信号过强会干扰图像。 特别在彩色机中, 由于副载波中频(33.57 MHz)与伴音中频 (31.5 MHz) 相差2.07MHz, 正好落在视频通带内, 所以更要求对伴音中频进行抑制。为了避免伴音信号失真, 使调频的两个边带都有均匀的放大量, 在31.5 MHz处有±100 kHz宽的平坦响应特性。

7. 频率特性在30 MHz和39.5MHz处各有一吸收点, 其相对幅度小于1%, 即衰减大于40 dB。以抑制邻近高频道的高频图像载频与该频道的本振频率差频产生的30 MHz的中频干扰, 及邻近低频道的高频伴音载频与该频道本振频率差频产生的39.5MHz的伴音中频干扰。 因为它们分别与所收看频道的图像中频和伴音中频相差只有1.5MHz, 很容易产生串台干扰。 • 3. 工作稳定、不自激, 增益可控 • 一般要求中放系统AGC控制深度为40dB。

8. 7.1.2 中频滤波与中频放大电路 • 一、 中频滤波电路 • 中频滤波电路用来衰减伴音中频、邻近低频道的伴音中频及邻近高频道的图像中频, 以便抑制这些干扰。电视机中常用的吸收电路有LC串联陷波电路、桥式T型陷波电路、声表面波带通滤波器及陶瓷带阻、带通滤波器等。 • 1. LC串联及桥式T型陷波器 • 这类电路型式很多, 在第六章中已经有介绍。它们主要利用电感、电容器件, 利用LC串联谐振或并联谐振等的频率阻抗特性实现各自的滤波作用。图7-3为一实际中频吸收电路。

9. 图 7-3 实际的图像中频吸收电路

10. 于本频道伴音中频31.5MHz, 对该信号近于短路, 只保留相对幅值的5%送到中放去放大, 对其它频率则呈高阻抗。L3C3用来吸收405MHz, 以保证从39.5~41MHz的频率范围内都有足够的衰减, 衰减量≥20 dB, 大约吸收到5%~3%。L5C6用来吸收高邻频道图像中频30MHz, 大约吸收到5%~3%。 L4C4C5R2为桥式T型吸收电路, 据分析, 如满足L4的损耗电阻等于｜-R2/4｜, 那么当2C4和L4串联谐振时, 回路的品质因数很高, 谐振曲线很尖锐, 吸收效果非常好。通常, 用它吸收低邻频道伴音中频39.5 MHz的干扰, 其吸收深度可达到1%。

11. 2. 声表面波滤波器(SAWF) • 声表面波是沿着弹性固体表面传播的机械波(或称弹性波), 声表面波的传播速度比电磁波约小十万倍, 其波长很短, 因而利用它可在物质表面附近集中住形变能量, 并利用压电材料可以完成能量转换的特点, 制成弹性声表面波器件。由于它具有小型化、 可靠性高、 稳定性好、不用调整、适用于高频及超高频范围(中心频率可做到5MHz~1.5 GHz)等特点, 因而被大量用在彩色机中频信号处理电路中, 作带通滤波器。 • (1) SAWF的基本原理。SAWF符号及结构示意图如图7-4所示。

12. 图 7-4 SAWF符号及结构示意图 • SAWF符号 • (b) 声表面波滤波器示意图

13. 图(a)中两种符号是等效的。 除输入、 输出四端以外, 其余均属屏蔽极或壳体。 图(b)为SAWF结构图, 用压电晶体(石英、 铌酸锂、 锆钛酸铅等)片作衬底, 在晶片表面上沉积两组叉指形电极, 构成两组叉指换能器。A叉指换能器将电信号转换成超声波, B叉指换能器将超声波还原成电信号。 当A两端加有中频信号(为待选频的信号, 其中包括目标信号和干扰信号)时, 叉指间的电场(由于指间距离远远小于指根与指端之间距离, 所以主要是指间的横向电场)将在电极间基片表面激发产生与信源同频率的横向超声波(机械振动波), 沿着压电基片的表面向左右传播, 从而完成了将电能转变成机械能的任务。

14. 向左传播的超声波是无用的, 被涂敷的吸声材料吸收, 避免了边缘反射。 向右传播的声表面波到达接收端B叉指换能器, 再利用B指间基片反压电效应, 在B叉指电极之间还原成所需电信号。 • (2) SAWF的选频特性。SAWF的选频特性, 由两个叉指换能器本身所具有的机械谐振频率fA、fB决定, 而fA、 fB又由叉指电极的几何尺寸——指条宽度、 指条间距离、 两电极指条重叠长度等决定。当外加信源频率等于A叉指机械谐振频率fA时, 所激发产生的超声波幅度最强, 信源频率距机械谐振频率越远, 激发的波幅越弱。

15. 同样, 信源频率等于B叉指机械谐振频率fB时, 反压电效应也最强, 否则就会弱。SAWF总的幅频响应特性取决于叉指A与B的幅频特性之乘积。 因此, 改变叉指几何形状, 可控制SAWF的中心频率、频带宽度及幅频特性的形状等, 故可根据需要设计成各种滤波器。电视机中频信号处理电路常用的SAWF的频率响应特性如图7-2(b)所示。 • (3) SAWF应用原理电路及应用特点。SAWF实用电路如图7-5所示。由于SAWF声表面波滤波器具有图7-2带通滤波特性, 采用SAWF后, 就可以崐省掉图7-3中各LC吸收电路和各级中频调谐变压器, 因此各中频放大器的级向耦合就可以采用直接耦合(如集成电路), 或采用RC宽带放大器, 使中频信号处理电路大为简化。

16. 图 7-5 SAWF实用电路

17.  SAWF实用电路具有如下几个特点: • ①SAWF器件插入损耗大, 约有15~20 dB, 因此增加一级带宽大于8MHz的前置放大器V, 以补偿插入损耗。但如果后级放大足够时, 也可不加前置放大, 两种电路都有应用。图中R4与L1串联、 R2与L1并联, 实现低Q值, 用以展宽前置放大器频带。 • ②SAWF的输入、输出阻抗均为容性, 所以在SAWF的输入端并接T1次级电感, 在SAWF的输出端并接L3电感, 它们分别与SAWF的输入、 输出电容构成并联谐振电路, 谐振在选通信号中心频率上, 以提高输出电平。 但要求此谐振回路的频带大于SAWF频带宽, 以免影响中频信号处理电路的总频率特性, 所以在两个谐振回路中又分别并上电阻R7、 R8, 以展宽频带并具有一定的频率响应。

18. ③由于叉指换能器的电极与叉指间压电基片的声表面波阻抗不同, 以及终端换能器B在将机械波(声表面波)变换为电信号时, 这电信号又反过来会激发机械波。 因此, 声表面波会在始端A与终端B两个叉指换能器之间多次反射, 特别是三次渡越信号与主信号叠加, 使输出畸变, SAWF特性变坏, 在幅频特性通带内有幅度波动。 抑制三次渡越信号有两个办法: 方法一, 是改变换能器结构, 采用振幅加权换能器或相位加权换能器 方法二, 在图7-5中, 采用外加抑制电路, 令终端B叉指换能器负载阻抗失配, 而始端A匹配。

19. 这样, 由于负载失配, 则B换能器将声能转换电能的效率降低, 那么压电效应产生电能小, 因而由逆压电效应再产生的反射波能量就小, 所以三次反射波被大大地削弱。 但这样作又会使SAWF的插入损耗增加, 这可通过前置放大器V来补偿。 事实上, 由于是一端失配而另一端仍匹配, 所以插入损耗增加很慢, 而抑制三次反射波能量却很快, 总的效果很好。 • 图中, C2为中和电容, L1R1为混频器次级谐振回路、 C1C5为耦合电容、C3为旁路电容。

20. 3. 陶瓷滤波器(CF) • 陶瓷滤波器也是集中选择性滤波器, 工作频率较低, 在电视机中常用作6.5MHz伴音陷波器等。CF是利用陶瓷压电效应工作的, 当陶瓷片(振子)的固有频率与外加信源频率一致时, 则陶瓷片具有与LC串联谐振相似的特性。 • (1) 二端陶瓷滤波器。其等效电路及阻抗特性如图7-6所示。图(a)为符号, 图(b)为等效电路, 图(c)为阻抗特性。

21. 图 7-6 二端陶瓷滤波器

22. 图(b)中, L、C、R分别相当于陶瓷片在机械振动时的等效质量(惯性)、等效弹性模数和等效阻尼(机械振动中的摩擦损耗), 决定着串联谐振频率 • 这是陶瓷片本身的自然频率。 C0为陶瓷滤波器两极间等效电容(装配电容), 与陶瓷片构成并联谐振电路, 并联谐振频率

23. 人们常利用陶瓷片的串联谐振现象作陷波器。 • (2) 分割电极三端陶瓷滤波器。 三端陶瓷滤波器如图7-7所示。 图 7-7 三端陶瓷滤波器

24. 图(a)为符号, 该滤波器的上电极被分割成两个电极。 电极1作为输入端, 电极2作为输出端。下电极为全电极, 作公共端。 图(b)为三端陶瓷滤波器的等效电路, L、 C、R是陶瓷片机械振动等效电参量, C01、C02分别为输入端与输出端对公共端的电容, C12为1、 2两极间分布电容, 通常C12电容可忽略。Tr为输入、输出回路之间等效耦合变压器。 • 输入端1—3两极的特性同于二端式, 当1—3两端信源频率等于陶瓷片的串联谐振频率fr时, 则输入电路发生串联谐振, 陶瓷片的机械振动最强, 当信源频率偏离陶瓷片串联谐振频率时, 由于不谐振, 故陶瓷片的机械振动很弱, 从而, 陶瓷片以机械振动的方式选出目标信号。

25. 在输出端2—3, 则通过反压电效应, 再将机械振动信号转变成频率及幅度和它一致的电压输出信号。 这种输入与输出间的传输方式被等效成变压器Tr, 其变压比n决定于输出和输入电极面积之比, 因此有 • 若C01=C02, 则n≈1, 可做成输入与输出对称的滤波器。 三端陶瓷滤波器(CF)的品质因数可高达数百, 其选择性比LC回路好。

26. 二、 中频放大器 • 为便于分析SAWF和集成中放电路, 我们首先分析了中频吸收电路, 从而再分析中频放大就变得简单了。 本章开头已经分析, 中频放大器是电视机总增益的主要提供电路, 因此要求具有足够大的增益, 并要求增益可自动控制, 具有足够宽的通频带以及适应于残留边带传输方式的增益—频率特性。单级中频放大器增益一般为15~30 dB, 为了获足够的中放增益, 中频放大器需要由3~4级组成。

27. 1. 分立中频放大器 • 由于组成中频放大器的各级都是典型的、 甚至电路和参数都相同的单元电路, 只要掌握这些单元电路, 就很容易分解中频放大器。其高频等效电路及分析方法与第六章高放级、 混频器相同, 这里只介绍单元电路型式及中频放大器的组合方式。 • (1) 分立中放单元电路。 基本单元电路有单调谐放大器、 RC耦合宽带放大器、 低Q值宽带放大器及双调谐放大器等形式, 常用电路及耦合方式如图7-8所示。

30. 图 7-8 中放单元电路及级间耦合

31. 图(a)为变压器耦合单调谐回路中频放大电路。T1、 T2分别为输入、输出变压器, C2、C3、C4为电源去耦电容, CN为中和电容,L1、 R1、C1组成单调谐回路, 通过适当选择初级线圈抽头点和初、次级匝数比, 来提高谐振回路的选择性,以及实现调谐回路与前后电路的匹配。 • 图(b)为电感串联型低Q单调谐中频放大器, 是宽带型RC中频放大器的一种, 被经常采用。 图中L、 C1及V输出电容Coe1、V2输入电容Cie组成低Q单调谐回路, 构成π形网络, 再由电阻电容耦合到下一级。

32. 图(c)是RC宽频带中频放大器, 该电路是非调谐放大器。 电路中无电感和变压器, 调整方便、工作稳定、便于集成化。由于存在分布电容, 为了得到足够带宽, 放大器的负载阻抗取值较小, 因此增益较低, 往往采用四级完成中放任务。 放大器频带很宽, 达40 MHz, 其选择性和频率特性是通过集中带通滤波器和末级具有频带整形作用的耦合双调谐放大器配合完成。 • 图(d)为电感并联型低Q单调中频谐放大器, 是宽带型RC中频放大器。图中电感L与V1的输出电容Coe、V2输入电容Cie及分布电容等构成低Q并联回路, 谐振在30~40 MHz之间。 电阻R2与L并联, 是并联回路阻尼电阻, 可降低Q值展宽频带。 图中R1C1是电源去耦电路。

33. 图(e)是外电容耦合双调谐中频放大器, 应用很普遍, 多在中放末级采用。 由L1、 C1初级单调谐回路和L2、C2次级单调谐回路组成双调谐回路。 两个调谐回路的能量传输是通过外电容C3、C4耦合实现的, L1与L2分别用各自屏蔽罩隔离, 以防止互感。双调谐回路的耦合程度用耦合系数K表示, 则有 •  • 当K小时(松耦合)双调谐回路谐振曲线呈单峰, 峰值低且曲线平缓, K加大则峰值高、 曲线变陡, 当K再增加(紧耦合)则使谐振曲线出现双峰, 通常要求双峰间的宽度大于3MHz, 而曲线中间凹陷相对小于10%。 • 对于互感耦合双调谐中频放大器, 因两个回路彼此影响, 调整困难, 较少使用。

34. (2) 中频放大器的组合及增益特性。 前面我们已经谈到, 为了满足电视信号通道对中频放大器高增益和通频带宽度的要求, 我们必须用三或四级放大器的级联电路才能实现。 中放电路常有下面的几种组合方式, 如图7-9所示。

35. 图 7-9 中频放大器级联与增益特性

36. a)的级联中频放大器在凯歌4D4、飞跃9DS4、 星火71—9型等电视机中采用。它的特点是: 电路简单(三级相同)、选择性差、满足带宽要求时的中放增益不太高、AGC控制作用容易使总增益曲线变形。 图(b)电路在凯歌4D8、4D7、 飞跃9D3等电视机中采用。它的特点是: 选择好、 满足带宽要求时的增益高、电路复杂、 AGC作用对总增益曲线影响一般。 图(c)电路在昆仑B—312、北京840、北京842型等电视机中采用。它的特点是: 选择性较差、满足频带要求时的中放增益高、AGC作用对总增益曲线无影响、无电感性元件 图(d)电路在飞跃19D1、12D1型电视机中应用。

37. 它的特点是: 选择性好、满足频带时的中放增益高、AGC作用后曲线变化小。图(e)电路, 在飞跃12D3、星火JDS3中应用。它的特点是: 选择性较好 满足频带时增益较高、AGC对增益曲线影响小。图(f)电路的主要特点是用集中滤波器将中放Ⅰ和中放Ⅱ隔开, 减少中放Ⅰ与后面各级反馈的机会, 提高工作稳定性, 另外调整起来比较容易, 较容易获得良好的选择性。 • 2. 集成中放电路特点 • 电视机用中频放大器没有单独的集成器件, 它都是与其它功能器件集成在一起的, 如TA7607AP、TA7611、HA11440A等图像中放集成电路, 将三级图像中频放大、视频检波、预视放、噪声倒相抑制、中放AGC、高放AGC及AFC等电路集成在一块芯片上。

38. 而有的则把三级中放分别集成在两个集成块中, 如Ⅰ、Ⅱ两级集成在HA1144中, 而第Ⅲ级则集成在HA1167中, 两者必须配合使用。 • 集成中放电路通常采用三级具有恒流源、直接耦合、 宽通带的差动放大器。由于集成中放电路本身没有谐振电路, 因此采用声表面波滤波器, 以获得集成中频放大器所需要的频率特性。各集成中放电路结构大致相同, 现仅以TA7611AP为例简单介绍如下。结构如图7-10所示。

39. 图 7-10 集成中频放大器原理电路

40. TA7611AP宽带中频放大器采用三级差分放大器, 总增益可达80dB。 图7-10中虚线内为第Ⅰ级中放内电路, ①、 16两端为信号输入, V3、 V4为差分放大器, V1、 V2为差分射极输出器, 以实现集成中放与声表面波滤波器SAWF相匹配。V5是V3、V4的多发射极恒流源, 显著地提高了放大器的共模抑制比, 稳定放大器直流工作点。 在三级中放的级与级之间, 均设置差分式射极输出器实现隔离。 由于三级中放均是直接耦合, 为减少电路零点漂移, 除每一级都有深度负反馈外, 还采用了级间负反馈, 例如, 把末级中放输出端直流电平经R11、R12反馈到第Ⅰ级中放输入端, 使整个中频放大器的直流分量具有深度负反馈, 以保证工作点稳定。

41. 在②、15端接电容C1是为了中频滤波, 以实现R11、R12的直流反馈作用。 • 三级中放均采用自动增益控制。 控制过程是, 当AGC不起控时信号强, 则V76饱和导通, V5发射极电流最大, 则等效为V3、V4的发射极电阻最小, 因而负反馈最小, 则V3、V4增益最大 反之当AGC起控时, V76应退出饱和, 于是V5发射极电流减小, V3、V4发射极等效电阻大, 则负反馈加深, 增益下降。 其它两级AGC控制原理相同, AGC控制中放顺序通常是Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ级。

42. 7.1.3 视频检波与输出(预视放)电路 • 为了分析的方便和实际功用, 本书将预视放作为检波输出电路来加以讨论。 视频检波及输出电路的作用是: 从中频放大器输出的图像中频调幅波中取出视频调制信号, 即视频全电视信号, 送往图像通道 使图像中频(38 MHz)和伴音中频(31.5MHz)经过检波后, 产生6.5MHz的第二伴音中频调频信号, 并送往伴音通道, 至此, 视频图像和伴音信号进入各自的处理电路 第三个作用是输出反映视频图像信号强度的直流信号电压(AGC), 自动控制中放和高放的增益及输出同步分离信号。

43. 一、 二极管包络检波器 • 采用二极管作为非线性器件组成的包络检波器在分立元件黑白电视机中被广泛采用。 图像检波器通常由输入电路、 检波电路和输出电路三部分组成, 图7-11示出了凯歌4D8电视机的视频检波器。 图中, 输入回路就是中频放大器的输出电路, 检波电路由检波二极管D1及滤波电路组成, 检波输出电路就是所谓预视放电路。

44. 图 7-11 包络检波器的典型电路

45. 1. 检波电路 • 由检波二极管VD1, 低通滤波电路L1、 L2、 L3、 C1、 C2、 C6、 C7, 视频信号高端补偿电路L4、 R4, 输入电阻R1等组成。 同时输入到检波电路的是载频为38MHz的图像中频调幅波信号和比它低20~30 dB的31.5MHz伴音调频信号。利用二极管的非线性特性, 将输入检波电路的、 受全电视信号调制的中频(38MHz)调幅波剪除一半, 如图7-12(a)、 (b)所示。 • 同时, 利用二极管的非线性特性, 图像载频fPI和伴音载频fSI差拍出38MHz-31.5 MHz=6.5 MHz差频信号, 因此在检波电路输出中还有幅度很小的6.5MHz伴音信号, 被叠加在图(b)的全电视信号上。

46. 图 7-12 检波电路的工作过程

47. 为了滤除剪波后伴音中频fSI、 图像中频fPI及二极管差拍产生的许多新频率如高次谐波76MHz等, 采用了L1、 L2、L3、C1、 C2、 C6、 C7组成的低通滤波电路, 滤波器带宽为6.5 MHz, 以保证视频全电视信号0~6 MHz及第二伴音中频信号6.5 MHz顺利通过, 其波形如图7-12(c)所示。 • 由于低通滤波器衰减了图像信号中的高频成分, 以及图像中放级的高频衰减作用, 因此图像检波电路中在负载电阻R3上串联了电感L4, L4、 R3和滤波电容及分布电容等组成低Q值并联谐振电路, 谐振点为5 MHz左右, 作为检波电路的交流负载, 以补偿低通滤波器的高频衰减和中频放大器高频增益不足。

48. R1为检波电路输入电阻, 它一方面用来抑制检波电路通过输入端向外辐射中频及高频谐波(在输出端已有低通滤波器抑制), 另一方面能够增加图像检波器输入阻抗, 防止降低中放末级双调谐回路的Q值, 影响中放选择性。电阻R4(20Ω)与R5、R2是二极管VD1正向直流偏置电路, 以防止当输入信号比较弱时, 检波管工作点进入特性曲线底部弯曲部分而引起非线性失真。 • 顺便说明, 当检波电路参数选择不当时将会产生对角线失真、 负峰切割失真以及非线性失真等, 在电路设计时应注意, 这里就不再讨论了。

49. 2. 检波输出电路 • 前面已经谈到, 检波输出电路除要完成分离0~6 MHz视频信号送给视放级和6.5MHz第二伴音信号(送给伴音通道)的任务外, 同时还要送出自动增益控制及同步分离信号。 因此要求它具有较强的负载能力和电路隔离作用。 • 电路组成见图7-11, 主要由放大管V1, 集电极并联谐振电路C10、L5, 高频变压器T1, 偏置电阻R3、 R6、R10, 串联谐振电路C12、 L7, 去耦电路R7、 C11等组成。R9是隔离电阻, 减少后级电路对检波电路的干扰。

50. (1) 伴音输出等效电路。L5、C10为集电极并联谐振回路, 谐振频率为6.5 MHz, 则对第二伴音频率信号, 回路呈高阻抗, 且为纯电阻性。C12、L7为发射极串联谐振回路, 谐振频率也为6.5MH, 谐振时阻抗近似为零, 则等效电路如图7-13(a)。此时, 电路等效为6.5MHz的放大电路。图中, T1是6.5MHz的高频变压器, 具有阻抗变换特点, 减小了第二伴音中放级的低输入阻抗对L5、C10谐振回路的影响。R8用来改变C10、L5并谐Q值, 使之具有200kHz频宽的需要。