При усилении электрических сигналов могут возникнуть нелинейные, частотные и фазовые искажения.

Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которую эти колебания проходят.

Основной причиной появления нелинейных искажений в усилителе является нелинейность характеристик усилительных элементов, а также характеристик намагничивания трансформаторов или дросселей с сердечниками.

Появление искажений формы сигнала, вызванных нелинейностью входных характеристик транзистора, иллюстрируется на графике рис.1. Предположим, что на вход усилителя подан испытательный сигнал синусоидальной формы. Попадая на нелинейный участок входной характеристики транзистора, этот сигнал вызывает изменения входного тока, форма которого отличается от синусоидальной. В связи с этим и выходной ток, а значит, и выходное напряжение изменят свою форму по сравнению с входным сигналом.

Чем больше нелинейность усилителя, тем сильнее искажается им синусоидальное напряжение, подаваемое на вход. Известно (теорема Фурье), что всякая несинусоидальная периодическая кривая может быть представлена суммой гармонических колебаний и высших гармоник. Таким образом, в результате нелинейных искажений на выходе усилителя появляются высшие гармоники, т.е. совершенно новые колебания, которых не было на входе.

Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценивают величиной коэффициента нелинейных искажений (коэффициента гармоник )

где
- сумма электрических мощностей, выделяемых на нагрузке гармониками, появившимися в результате нелинейного усиления;- электрическая мощность первой гармоники.

В тех случаях, когда сопротивление нагрузки имеет одну и ту же величину для всех гармонических составляющих усиленного сигнала, коэффициент гармоник определяется по формуле

,

где -
и т.д. – действующие или амплитудные значения первой, второй, третьей и т.д. гармоник тока на выходе;
и т.д. действующие или амплитудные значения гармоник выходного напряжения.

Коэффициент гармоник обычно выражают в процентах, поэтому найденное по формулам значение
следует умножить на 100. Общая величина нелинейных искажений, возникающих на выходе усилителя и созданных отдельными каскадами этого усилителя, определяется по приближенной формуле:

где -
нелинейные искажения вносимые каждым каскадом усилителя.

Допустимая величина коэффициента гармоник всецело зависит от назначения усилителя. В усилителях контрольно-измерительной аппаратуры допустимое значение коэффициента гармоник
составляет десятые доли процента.

Частотные называются искажения , обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах. Причиной частотных искажений является присутствие в схеме реактивных элементов – конденсаторов, катушек индуктивности, междуэлектродных емкостей усилительных элементов, емкости монтажа и т.д.

Для примера на рис. 2 показана амплитудно-частотная характеристика УНЧ.

Рис. 2. Амплитудно-частотная Рис. 3. Фазочастотная характеристика

характеристика УНЧ. усилителя.

При построении амплитудно-частотных характеристик частоту по оси абсцисс удобнее откладывать не в линейном, а в логарифмическом масштабе. Для каждой частоты фактически по оси откладывается величина lg f , а подписывается значение частоты.

Степень искажений на отдельных частотах выражается коэффициентом частотных искажений М, равным отношению коэффициента усиления на данной частоте

Обычно наибольшие частотные искажения возникают на границах диапазона частот f н и f в. Коэффициенты частотных искажений в этом случае равны

,

где К н и К в – соответственно коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона.

Для усилителей низкой частоты идеальной частотной характеристикой является горизонтальная прямая линия (линия АВ на рис. 2).

где К н и К в - соответственно коэффициенты усиления на нижних и верхних частотах диапазона. Из определения коэффициента ча­стотных искажений следует, что если М > 1, то частотная характе­ристика в области данной частоты имеет завал, а если М < 1, - то подъем. Для усилителя низкой частоты идеальной частотной характеристикой является горизонтальная прямая (линия АВ на рис. 12.5).

Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдель­ных каскадов

М = М 1 М 2 М 3 . ..М n .

Следовательно, частотные искажения, возникающие в одном каскаде усилителя, могут быть скомпенсированы в другом, чтобы общий коэффициент частотных искажений не выходил за пределы заданного. Коэффициент частотных искажений, так же как и коэф­фициент усиления, удобно выражать в децибелах:

М ДБ = 20lgМ .

В случае многокаскадного усилителя

М ДБ = М 1 ДБ + М 2 ДБ + М 3 ДБ +…+ М n ДБ

Допустимая величина частотных искажений зависит от назна­чения усилителя. Для усилителей контрольно-измерительной ап­паратуры, например, допустимые искажения определяются тре­буемой точностью измерения и могут составлять десятые и даже сотые доли децибела.

Следует иметь в виду, что частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются появлением сдвига фаз между входным и выходным сигналами, т. е. фазовыми искажениями. При этом под фазовыми искажениями обычно подразумевают лишь сдвиги, со­здаваемые реактивными элементами усилителя, а поворот фазы самим усилительным элементом во внимание не принимается.

Фазовые искажения, вносимые усилителем, оцениваются по его фазочастотной характеристике, представляющей собой график за­висимости угла сдвига фазы φ между входным и выходным напря­жениями усилителя от частоты рис. 3. Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. Идеальной фазочастотной характеристикой является прямая, начинающаяся в начале координат – пунктирная линия на рис. 3. Фазочастотная характеристика реального усилителя имеет вид, показанный на рис. 3. сплошной линией.

В процессе усиления устройство не должно изменять формы кривой сигнала. Однако по разным причи­нам форма кривой колебаний на выходе усилителя может отличаться от формы кривой на входе, т.е. усилитель вносит искажения сигнала. При воспроизведении звука эти искажения влияют на его тембр и

час­тоту, в телевизионных устройствах искажается изображение и т.д.

В зависимости от причины появления искажений их делят на линейные (частотны и фазовые, обусловленные реактивными элементами сопротивлениями) и нелинейные.

Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по ампли­тудно-частотной характеристике (АЧХ).

Амплитудно-частотной характеристикой называется зависи­мость модуля коэффициента усиления от частоты. Для простоты её называют частотной характеристику. Она представляет собой графическое изображение зависимости коэффициента усиления от час­тоты входного сигнала. На оси ординат частотной характеристики откладывают значение коэффициента усиления в линейном масштабе, а на оси абсцисс - значение частоты входного сигнала в

логарифмическом масштабе, так как диапазон частот входного сигнала часто оказывается очень широким.

На рисунке 1.5, а прямой линией 1 показана идеальная частотная характеристика усилителя, не вносящего частотных искажений; кри­вой 2 - реальная характеристика усилителя, ослабляющего (срезающего) нижние и верхние частоты заданного диапазона.

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М, который является отношением коэффициента усиления на средних частотах К ср. к коэффициенту усиления на за­данной частоте K f .

M=K cp /K f . (1.18)

Рисунок 1.5 - Амплитудно - частотная характеристики

усилителя (АЧХ)

В усилителях звуковой частоты за среднюю частоту обычно прини­мают 400Гц или 1000 Гц.

Общий коэффициент частотных искажений многокаскадного уси­лителя равен произведению частотных искажений отдельных каскадов:

М общ.= M 1 М 2 М 3 ·... ·М п, (1.19)

Коэффициент частотных искажений может быть выражен также
и в логарифмических единицах:

M [ d Б] = 20·1gM , (1.20)

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент частотных искажений в логарифмических единицах

М общ.= М 1 +M 2[ dB ]+....+M n (dВ). (1.21)

Рабочим диапазоном частот, или полосой пропускания, называется область частот от f H до f B в пределах, которой частотные искажения не превышает допустимой величины.

В области средних частот, коэффициент частотных искажений М=1 , на других частотах, на которых усиление меньше, чем на средних, М>1 (спад частотной характеристики). На частотах подъёма частот­ной характеристики М<1.

Допустимая величина частотных искажений определяется назначением усилителя. Так, например, в усилителях звуковых частот высше­го класса М не должен превышать 2 дБ при частотах от 30 Гц до 20 кГц . Если к усилителю не предъявляются какие-либо специальные требования, то рабочий диапазон частот

определяют на уровне 3 дБ ., т.е. границами полосы пропускания являются частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается не более чем в √2=l,41 раза.

г- Фазовая характеристика усилителя. Зависимость угла сдвига по фазе между выходным и входным напряжением усилителя от частоты называется фазово-частотные (ФЧХ) или фазовой Фазовые сдвиги в усилителе возникают в результате наличия в нем реактивных элементах (индуктивностей, ёмкостей).

В идеальном усилителе все составляющие независимо от частоты их сдвигаются на одно и то же время. При этом взаимное расположение синусоид различных частот не изменяется. Поэтому и форма выходного сигнала не изменяется. В этом случае фазовая характеристика, выражающая прямую пропорциональную зависимость угла фазового сдви­га φ от частоты f, представляет собой прямую линию 1, как показало на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6- Фазовая характеристика усилителя

В реальном усилителе значение угла сдвига по фазе зависит от частоты. И составляющая сигнала, имеющие разные частоты, оказыва­ются сдвинутыми на разные углы. Это искажает форму сигнала на выходе.

Фазово-частотная характеристика реального усилителя на рисунке 1.6 показана 2. При положительных значениях угла сдвига фазы выходной сигнал опережает входной, при отрицательных - выходной сигнал отстаёт от входного. Искажения формы выходного сигнала, вызываемого различным фазовым сдвигом

различных по частоте составляющих сигнала, назы­ваются фазовыми искажениями.

В усилителях сигналов звуковой частоты фазовые искажения не учитываются, так как на слух они практически не воспринимаются.

д – Переходная характеристика . В усилителях импульс­ных сигналов форма выходного напряжения зависит от переходных процессов установления токов и напряжений в цепях, содержащих реактивные элементы. Для оценки линейных искажений, называемых в импульсных переходными, удобно

пользоваться переходной харак­теристикой.

Переходной характеристикой усилителя называют зависимость

мгновенного значения напряжения или тока на его выходе от време­ни U вых = f(t) при подаче на вход единичного скачкообразного изме­нения напряжения или тока (единичной функции).

Наиболее часто на вход усилителя воздействует импульс прямо­угольной формы конечной длительности, как показано на рисунке 1.7

Рисунок 1.7 - Переходная характеристика усилителя

При подаче на вход усилителя прямоугольного импульса напряжение на выходе будет иметь искаженную форму на рисунке 1.7.

Переходные искажения разделяют на искажения фронта импуль­са и искажения плоской вершины импульса. Искажения фронта характеризуются:

Временем установления t yc . т.е. временем нарастания импульса от 0,1

Um до 0,9U макс;

Выбросом фронта импульса δ, определяемым отношением нап­ряжения

выброса ∆U к напряжению в установившемся режиме U.

Допустимая величина переходных искажений определяется назна­чением усилителя.

е – Нелинейные искажения . Нелинейные искажения вызывают изменения формы кривой сигнала, вызванные нелинейностью характеристик элементов схемы усилителя (транзисторов, ламп, диодов, трансфор­маторов).

При нелинейных характеристик нет прямой пропорциональности между током и напряжениями, вследствие чего при синусоидальном сигнале на входе, выходной сигнал получается несинусоидальным. Чем больше нелинейность используемого участка характеристики, т.е. больше отклонение её от прямой линии, тем сильнее искажается сиг­нал.

Появление нелинейных искажений в усилителях иллюстрируется графиком рисунок 1.8. При подаче синусоидального напряжения на базу транзистора в первый полупериод используется участок характеристики РБ, имею­щий большую

крутизну; поэтому кривая тока имеет большую амплиту­ду. Во второй полупериод используется участок РА, крутизна которого уменьшается с уменьшением напряжения базы; поэтому кривая входно­го тока получается притупленной.

Получающуюся вследствие нелинейных искажений несинусоидаль­ную кривую выходного сигнала можно разложить гармонические сос­тавляющие, или иначе, гармоники.

Рисунок 1.8 - Искажения формы выходного сигнала

Общий уровень нелинейных искажений количественно оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом

гармоник): _____

Кг= (V U 2 m2 +U 2 m3 +U 2 m4) / U m1 , (1.22)

где - U m1 ,U m2 ,иU m3 -амплитуды 1-й,2-й,3-й и т.д. гармоник выходного сигнала.

Практически имеют значение только вторая и третья гармоники, так они имеют наибольшую амплитуду сигнала, остальные гармоники имеют небольшие по величине амплитуды.

Ещё один вид нелинейных искажений обусловлен появлением в вы­ходном сигнале комбинационных частот, т.е. частот, получающихся как сумма или разность между любыми (в т.ч. и первыми) гармоника­ми различных сигналов, присутствующих на входе усилителя. Такие искажения принято называть интермодуляционными искажениями. На практике имею значения интермодуляционные искажения второго и третьего порядков (если f 1 и f 2 - частоты, присутствующие на входе, то интермодуляционные искажения второго

порядка обусловлены нали­чием на выходе усилителя сигналов с частотами f 1 ± f 2 , а интермодуля­ционные искажения третьего порядка- с частотами 2f 1 ±f 2 и 2f 2 ±f 1).

Коэффициентом интермодуляции называется отношение мощности интермодуляционных составляющих на выходе усилителя к минимально возможной выходной мощности полезного сигнала, превыша­ющий уровень собственных шумов усилителя.

Нелинейный искажения на слух практически незаметны, если коэффициент гармоник не превышает 0,2... 0,3%.

В усилителях многоканальной связи линейность должна быть высокой, чтобы гармоники и комбинационные частоты не попадали из одного канала в другой, т.е. чтобы не было перекрёстных искажений. В таких усилителях нелинейность оценивается затуханием а или же, затуханием нелинейности второй а 2 или а 3 гармоник:

a =20lgU m1 /(VU 2 m2 +U 2 m3); a 2 =20·1gU m1 /U m2 , a 3 = 20·1gU m1 /U m3 . (1.23)

ж- Коэффициент шума . Помехами называют посторонние, не связанные с сигналом и не зависящие от него напряжения на выходе включенного усилителя Помехи возникают в цепях усилителя по раз­ным причинам. Обычно их делят на тепловые шумы резисторов и про­водников, шумы усилительных элементов, шумы микрофонного эффек­та, фон переменного тока от источника электропитания и наводки от посторонних источников.

Тепловой шум активных сопротивлений создается хаотическим тепловым движением свободных электронов, которые можно рассматривать как ток, беспорядочно изменяющийся по величине и направле­нию при отсутствии внешнего напряжения.

Шумы усилительных элементов создаются из-за неравномерной
эмиссии или инжекции носителей заряда, неравномерного распределе­ния тока между электродами, теплового шума и других причин, зависящих от свойств и физических процессов при работе усилительного
элемента.

Шумы микрофонного эффекта возникают при механических воздействиях на элементы усилителя вибраций, звуковых волн, толчков, которые приводят к изменению расстояний между соединительными проводами во входных цепях или между электродами лампы и вызыва­ют изменения тока и появление на выходе напряжения шума. Транзисторы и печатный монтаж практически не обладают микрофонным эф­фектом; ему подвержены соединительные шланги, входные трансфор­маторы с пермаллоевым сердечником и монтаж, выполненный проводни­ками.

Помехи в виде фона переменного тока представляют собой колеба­ния с частотой, кратной частоте питающей сети (50, 100, 150Гц), и прослушиваются в громкоговорителе как гудение.

Наводками называют помехи, возникающие из-за наведения напряжения в цепях усилителя за счёт влияния внешних электрических и магнитных полей, токов утечки, гальванических связей.

Количественной оценкой шумовых свойств усилителя является коэффициент шума. Поэтому коэффициент шума определяется по формуле

К ш =1+Р ш.собст./(Р ш.вх.·К р), (1.24)

где- Р ш.собст. - собственная мощность шумов (мощ­ность добавляемых в сигнал

шумов);
Р ш.вх.- мощность шумов на входе усилителя;
К р - коэффициент усиления по мощности.

Коэффициент шума всегда больше единицы. Для нормального усиления напряжения сигнала должно превышать напряжение шума в 2..3 раза. Коэффициент К ш не определяет однозначно абсолютный уровень шумов на

выходе. Поэтому для оценки усилителей высокого класса важным параметром является отношение сигнал / шум, пред­ставляющее собой отношение выходного напряжения сигнала (при номинальной выходной мощности усилителя Р н.ном.) к суммарно­му напряжению шумов на выходе. В усилителях высокого класса отношение сигнал/шум составляет 60... 100 дБ (1000 и более раз).

з – Амплитудная характеристика усилителя представляет собой зависимость установившегося значения выходного напряже­ния сигнал от входа. Так как коэффициент усиления идеального уси­лителя, постоянная величина, не зависящая от величины входного сиг­нала, то его амплитудная характеристика - прямая, проходящая через начало координат, под углом, определяемым коэффициентом усиления усилителя (пунктирная линия на рисунке 1.9).

Амплитудная характеристика реального усилителя не проходит через начало координат, а изгибается при малых входных напряжениях, пересекая вертикальную ось в точке U п, так как в отсутствие входно­го сигнала выходное напряжение усилителя равно напряжению собственных шумов в его выходной цепи U п.

Рисунок 1.9 - Амплитудная характеристика усилителя

При слишком больших входных напряжений реальная амплитудная характеристика также расходится с идеальной, искривляясь из-за перегрузки усилительных элементов, содержащихся в схеме уси­лителя. Из рисунка 1.9 видно, что реальный усилитель может усили­вать подводимые к его входу сигналы с напряжением не ниже U вх.мин., так как более слабые сигналы будут заглушаться напряжени­ем собственных шумов усилителя U п и не выше U вх.макс., иначе усилитель будет вносить большие нелинейные искажения.

Отношение U в x .макс / U в x .мин. характеризуется диапазон напряжений сигнала, усиливаемых данных усилителем без чрезмерных помех и искажений, и называется динамическим диапазоном усилителя D y с.

D ус. = 20lg(U вх.макс./U вх.мин.). (1.25)

Для того чтобы при усиления минимального и максимального сигна­лов не возникло чрезмерных искажений, динамический диапазон уси­лителя должен быть не меньше динамического диапазона сигнала. В тех случаях, когда это условие выполнить не удается, диапазон сигнала сжимают с помощью ручной или автоматической регулировки усиления. Динамический диапазон магнитной фонограммы 40-50 дБ, студийных микрофонов и магнитофонов высокого качества - 60 дБ.

Частотные и временные характеристики

Как и в случае пассивных линейных систем, частотные характеристики усилителя определяются комплексным коэффициентом передачи, который может быть представлен в виде отношения комплексных амплитуд выходного и входного сигналов при гармоническом входном сигнале. Так для комплексного коэффициента усиления по напряжению будем иметь:

Зависимость модуля коэффициента усиления || = К(щ) от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) или просто частотной характеристикой усилителя.

Зависимость от частоты фазового сдвига выходного сигнала усилителя относительно его входного сигнала называется фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) или просто фазовой характеристикой усилителя.

Идеальный усилитель имеет равномерную АЧХ во всем диапазоне частот, т.е. его коэффициент усиления

K(щ) = K 0 = const.

Фазовая характеристика такого усилителя не должна зависеть от частоты или, по крайней мере, должна быть линейной функцией частоты, т.е.

На практике в полосе частот, в пределах которой находится спектр усиливаемого сигнала, можно лишь с той или иной точностью приблизиться к идеальным АЧХ и ФЧХ.

Для усилителей, как и для пассивных линейных систем, вводятся понятия нижней граничной частоты щ н, верхней граничной частоты щ в и полосы пропускания. Частоты щ н и щ в определяются как частоты, на которых коэффициент усиления усилителя уменьшается в раз по сравнению с коэффициентом (рис. 3,а). Область частот, лежащая левее средних частот, носит название области низших частот, область, лежащая правее - области высших частот. Полоса пропускания усилителя

Наряду с частотными характеристиками для определения искажений формы сложного колебания применяется переходная характеристика h(t), представляющая собой реакцию усилителя на единичный скачок напряжения (тока) и импульсная характеристика g(t), являющаяся реакцией линейной цепи на дельта-импульс. Эти характеристики однозначно связаны с частотными характеристиками.

Переходная характеристика h(t) наглядно описывает искажения сигнала, возникающие при усилении прямоугольных импульсов. Основными показателями этих искажений считаются: время запаздывания t З, длительность фронта t Ф и время спада t С (рис.4). При повышении верхней граничной частоты щ в уменьшаются искажения в области малых времен (сокращается время t З и t Ф), а при уменьшении нижней граничной частоты щ Н - в области больших времен (уменьшается спад вершины, т.е. возрастает время t С). У усилителей постоянного тока (щ Н = 0) переходная характеристика не обнаруживает спада вершины.

Линейные и нелинейные искажения в усилителях

Качество усилителя определяется степенью искажений, вносимых усилителем при усилении входного сигнала. Под искажениями понимается изменение формы выходного сигнала по отношению к форме входного. Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала, называются линейными искажениями. В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (вызываемые изменением модуля коэффициента усиления усилителя в полосе частот усиливаемого сигнала) и фазовые (обусловленные нелинейностью фазочастотной характеристики усилителя в полосе частот усиливаемого сигнала).

Идеальный усилитель, у которого линейные частотные искажения отсутствуют, имеет равномерную АЧХ во всем диапазоне частот, т.е. его коэффициент усиления

K(щ) = K 0 = const.

Фазовая характеристика усилителя, у которого отсутствуют фазовые линейные искажения, не должна зависеть от частоты или, по крайней мере, должна быть линейной функцией частоты

(ц к (щ) = const(щ)).

В последнем случае все гармонические составляющие входного сигнала получают одинаковую временную задержку, и выходной сигнал лишь сдвигается во времени (запаздывает) относительно входного на величину t З.

Частотные искажения усилителя на частоте щ характеризуются коэффициентом частотных искажений

M = K U0 /K Uщ.

Здесь K Uщ - коэффициент усиления по напряжению на данной частоте щ. С помощью АЧХ можно определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот усилителя.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеют место на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений М н и М в соответственно на нижней (щ Н) и верхней (щ В) граничных частотах.

При достаточно низких уровнях входного сигнала усилитель обладает свойствами линейной системы и амплитуда выходного напряжения прямо пропорциональны амплитуде входного напряжения, т.е. коэффициент усиления усилителя не зависит от величины сигнала. В связи с наличием нелинейных свойств у всех усилительных приборов при увеличении входного сигнала линейная зависимость величины выходного сигнала от величины входного сигнала нарушается. При этом коэффициент усиления начинает зависеть от величины усиливаемого сигнала, возникают нелинейные искажения, в спектре выходного сигнала появляются частотные составляющие, отсутствующие в спектре входного сигнала.

Зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжения от амплитуды первой гармоники входного напряжения при синусоидальной форме входного сигнала называется амплитудной характеристикой (рис. 5). Нелинейные искажения появляются при превышении амплитудой входного сигнала значения, начиная с которого амплитудная характеристика теряет свою линейность.

Отношение (в децибелах) максимального напряжения на входе усилителя U МАКС к минимальному U МИН D = 20lg(U МАКС / U МИН) называется динамическим диапазоном усиления усилителя. Минимально допустимое входное напряжение обычно ограничено уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых выходной сигнал не удается выделить.

Амплитудная характеристика во многих случаях оказывается слишком грубым средством описания нелинейных искажений усилителя. Поэтому вводится понятие коэффициента гармоник (коэффициента нелинейных искажений), представляющего собой отношение суммы амплитуд всех гармоник напряжения (или тока) искаженного сигнала, кроме первой, к амплитуде напряжения (или тока) первой гармоники на выходе усилителя при воздействии на вход усилителя одного чисто синусоидального сигнала:

где U iВЫХ - амплитуда i-ой гармоники выходного искаженного сигнала, U 1ВЫХ - амплитуда первой (основной) гармоники. Первая гармоника представляет собой полезный сигнал, остальные являются результатом нелинейных искажений. Индекс определяет номер гармоники. Обычно учитывают только вторую и третью гармоники, так как амплитудные значения мощностей более высоких гармоник сравнительно малы.

Линейные и нелинейные искажения характеризуют точность воспроизведения формы входного сигнала усилителем.

Основным качественным показателем усилителя является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. В идеальном усилителе форма сигнала на выходе должна точно повторять форму входного сигнала. Отклонение формы выходного сигнала от формы сигнала, подаваемого на его вход, называется искажением . В усилителях различают два вида искажений – линейные и нелинейные. Оба вида искажений изменяют форму входного сигнала, но причины их появления различны.

Линейные искажения обусловлены зависимостью модуля коэф­фициента усиления напряжения или тока, а также фазового сдвига между входными и выходными величинами от часто­ты входного сигнала. Линейные искажения можно разделить на частотные и фазовые.

Форма сложного сигнала на выходе усилителя, работаю­щего в линейном режиме, будет отличаться от входной в том случае, если гармонические составляющие входного сигнала будут усиливаться в усилителе неодинаково, а также, если вносимые усилителем фазовые сдвиги будут различными для отдельных гармонических составляющих. Вызываемые ука­занными причинами изменения формы выходного сигнала на­зывают соответственно частотными и фазовыми искажениями.

Частотные искажения – это искажения, обусловленные изменением значения коэффициента усиления на различных частотах. Идеальная АЧХ должна иметь одинаковый коэффициент усиления во всем диапазоне рабочих частот. Реальная же характеристика имеет «завалы» на частотах, близких к границам диапазона рабочих частот. Снижение коэффициента усиления на низших частотах объясняется возрастанием емкостного сопротивления разделительных конденсаторов

по мере снижения частоты сигнала.

Для количественной оценки частотных искажений используют коэффициент частотных искажений (M), равный отношению коэффициента усиления на средних частотах (K ср) к коэффициенту усиления на данной частоте (K ¦):

M = K ср / K ¦ .

Поскольку наибольшие частотные искажения имеются на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей частотах, т.е.

M н = K ср / K н и M в = K ср /K в.

Частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются появлением фазовых искажений. При усилении синусоидального сигнала с неизменной час­тотой линейные искажения не играет большой роли: на одной определенной частоте всегда можно добиться доста­точного усиления, а фазовые сдвиги скомпенсировать. Проб­лема линейных искажений возникает тогда, когда сигнал имеет сложную форму. Для такого сигнала фазочастотные искажения не менее, а часто более существен­ны, чем амплитудно-частотные.

Фазовые искажения не влияют на спектральный состав и соотношение амплитуд гармонических составляющих сложного сигнала, а вызывают изменение его формы в результате различных фазовых сдвигов, возникающих у отдельных составляющих сигнала после прохождения через усилитель.

Влияние фазовых искажений на форму сигнала, состоящего из двух гармоник, упрощенно поясняется на рис. 6.7, а и б. Построение проведено при условии, что коэффициент усиления не зависит от частоты, но для второй гармоники усилитель вносит сдвиг фаз на угол φ = π/4. Из графика (рис. 6.7, б) видно, что форма выходного сигнала очень сильно отличается от формы входного, следовательно, большие фазовые искажения не менее существенно, чем частотные, влияют на качество работы усилителя.

Фазочастотные искажения от­сутствуют при отсутствии относительного сдвига гармоник. Для этого должно соблюдаться условие:

Это условие выполняется, если фазочастотная характеристика линейна (рис. 6.7, в):

В отличие от линейных искажений, нелинейные искажения в усилителях обусловлены наличием нелинейных элемен­тов, в первую очередь, транзисторов, а также друг

Искажение сигналов в усилителе

Искажение сигналов в усилителе связано, во-первых, с нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, обусловленной нелинейностью статических ВАХ применяемых элементов, и, во-вторых, с частотной зависимостью амплитуды и фазы усиливаемого сигнала. Поэтому при анализе работы усилителей рассматривают два вида искажений выходного сигнала по отношению к входному: статические (нелинейные) и динамические (амплитудные и фазовые), в результате которых изменяется как форма, так и частотный спектр усиливаемого сигнала. Динамические искажения иногда называют линейными искажениями.

Причина возникновения нелинейных искажений поясняется рис. 2.1.4, в. Очевидно, что в данном случае при воздействии на вход усилительного устройства гармонического сигнала, выходной сигнал кроме входной гармоники будет содержать ряд дополнительных гармоник. Появление этих гармоник обусловлено зависимостью коэффициента усиления от величины входного сигнала. Следовательно, появление нелинейных искажений всегда связано с появлением на выходе дополнительных, отсутствующих на входе гармонических составляющих сигнала.

Для количественной оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) , в основу расчета которого положена оценка относительной величины высших гармоник к основной в выходном сигнале, т. е.

, (2.1.7)

где А 2 ,..А п - действующие значения высших гармоник выходного сигнала, начиная со второй; А 1 - действующее значение первой (основной) гармоники выходного сигнала.

Частотные искажения усилительного устройства оценивают по виду его АЧХ. Причины возникновения частотных искажений рассмотрим на примере устройства, АЧХ которого приведена на рис. 2.1.5.

Предположим, на входе усилительного устройства действует сигнал, равный сумме двух гармоник одинаковой амплитуды, причем (рис. 2.1.6).

Согласно приведенной АЧХ (рис. 2.1.5) . Тогда напряжение на выходе усилителя примет вид, показанный на рис. 2.1.6. Сравнение суммарного входного и выходного сигналов показывает, что они, существенно, различны.

Из приведенных рассуждений видно, что идеальной (с точки зрения отсутствия частотных искажений) является АЧХ, у которой для всех усиливаемых частот выполняется соотношение: .

Рис. 2.1.5. Возникновение частотных искажений в усилителе:

АЧХ усилителя.

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М , численно равным отношению коэффициента усиления в области средних частот для амплитудно-частотной характеристики к коэффициенту усиления на заданной частоте.

.

Фазовые искажения возникают из-за неравномерности фазо-частотной характеристики (ФЧХ) усилительного устройства (сплошная кривая на рис. 2.1.7).

Рис. 2.1.6. Возникновение частотных искажений в усилителе:

Входные и выходные сигналы усилителя.

Рис. 2.1.7. Возникновение фазовых искажений в усилителе: ФЧХ усилителя.

Условием идеальности ФЧХ является условие независимости фазы от частоты усиливаемого сигнала (штриховая линия на рис. 2.1.7), которая описывается линейной зависимостью вида:

Однако условие независимости фазы от частоты на практике трудно обеспечить и ФЧХ имеет вид сплошной линии на рис. 2.1.7.

Рассмотрим на примере природу возникновения фазовых искажений. Предположим, как и в случае амплитудных искажений сигнала, что на входе усилительного устройства действует сигнал, равный сумме двух гармоник, причем частоты этих сигналов отличаются в два раза, т. е. . Предположим также, что фазовый сдвиг , вносимый усилительным устройством между частотами и , равен . Вид выходного сигнала усилительного устройства при сделанных допущениях показан на рис. 2.1.8. Очевидно, что (как и в предыдущем случае) формы входного и выходного сигналов, существенно, различны.