6.2. Искажения в усилителях
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.
Снижение KU на высших частотах объясняется влиянием паразитных емкостей «коллектор – база», «коллектор – эмиттер» и «база – эмиттер», а также паразитных емкостей, которые возникают при монтаже. Эти емкости на высоких частотах приводят к закорачиванию транзисторов и снижению усиления сигнала.
Для количественной оценки частотных искажений используют коэффициент частотных искажений (M), равный отношению коэффициента усиления на средних частотах (Kср) к коэффициенту усиления на данной частоте (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.
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
Какие искажения существуют в усилителе
Усилители Music Angel
Ламповый усилитель XD500MKIII: EL34, 2х50 Вт Ламповый усилитель XD800MKIII: KT88, 2х65 Вт Ламповый усилитель XD845MKIII: 845, 2х20 Вт Ламповый усилитель XD850MKIII: 300B, 2х9 Вт Ламповый усилитель XD8502AIII: 300B, 2х9 Вт Предварительный ламповый усилитель XD900MKIII: 12AU7, 12AX7
Ламповый усилитель MINI 6: KT88, 2х60 Вт Ламповый усилитель MINIP1: 6AQ5, 2х10 Вт Ламповый усилитель MINIL3: EL34, 2х35 Вт Ламповый усилитель MINIP14: 6P14, 2х10 Вт
Ламповые усилители LACONIC HA-02,03B/B2/M: 6N6P, 2х1,2 Вт на 300 Ом
Акустическая система Music Angel One: 20 — 100 Вт, 38 Гц — 30 кГц, 86 Дб/Вт/м Акустическая система Music Angel 2.5: 20 — 200 Вт, 20 Гц — 30 кГц, 86 Дб/Вт/м Акустическая система Music Angel TK-10: 10 — 250 Вт, 45 Гц — 22 кГц, 8 Ом, 97 дБ/Вт/м Акустическая система DIVA 5.2: 10 — 150 Вт, 36 Гц — 20 кГц, 90 дБ/Вт/м
КТ 88: Filament Voltage 6.3 V Filament Current 1.6 A Plate Voltage (max) 800 V Plate Current (max) 230 mA Plate Dissipation (max) 40 W 845: D.C. Plate Voltage 1250 D.C. Grid Voltage -98 Peak A.F. Grid Voltage 93 D.C. Plate Current (ma.) 95 Power Output (watts) 15 21 300B: Filament Voltage 5 V Filament Current 1.2 A Plate Voltage (max) 450 V Plate Current (max) 100 mA Plate Dissipation (max) 40 W
Частотные, нелинейные и фазовые искажения
В оценке качества работы радиоприемника решающую роль играют искажения, которые имеют место при воспроизведении радиопередач. Эти искажения могут сделать передачу неприятной или же настолько исказить ее тембр, что голос исполнителя или звучание музыкального инструмента лишатся характерных для них звуковых оттенков. При приеме телевизионных передач к этим искажениям добавляются еще различные искажения изображения на экране кинескопа.
Следует различать три вида искажений: нелинейные, частотные и фазовые. Рассмотрим причины возникновения и сущность различных видов искажений.
Нелинейные искажения. Искажения этого вида являются следствием нелинейных процессов (т. е. таких процессов, когда между током и создающим его напряжением нет прямой пропорциональности) в элементах радиоприемника. В электрической цепи, содержащей, например, активное сопротивление, ток прямо пропорционален напряжению. Графически такая зависимость выражается прямой линией, отсюда и название «линейная система», «линейный процесс». В ряде элементов радиоприемника это условие не выполняется — они являются нелинейными системами. В первую очередь это относится к усилительным лампам.
На управляющую сетку усилительной лампы подаются усиливаемые колебания, вызывающие соответствующие изменения анодного тока. Анодный ток, проходя по нагрузке, создает на ней напряжение, форма которого подобна форме подводимого сигнала, но превосходит его по величине. Для неискаженного усиления необходимо, чтобы анодный ток изменялся точно так же, как и напряжение на управляющей сетке лампы, т. е. был прямо пропорционален ему. Но зависимость анодного тока лампы от напряжения, подводимого к ее управляющей сетке, лишь на некотором, сравнительно небольшом, участке приближается к линейной. При работе лампы в усилителе используется именно этот прямолинейный участок характеристики; часто его называют рабочим участком.
Рис. 1. Усиление синусоидального напряжения: а — неискаженное усиление; б — искажения, вызываемые нелинейностью ламповой характеристики
Чем меньше напряжение сигнала на сетке лампы, тем меньше захватываемый им участок характеристики, а следовательно, тем меньше и отклонение последнего от прямой линии. Работа на небольшом участке характеристики типична для усилителей напряжения, т. е. для каскадов усиления ВЧ и ПЧ, а также для предварительных усилителей НЧ. При больших амплитудах усиливаемого напряжения работа происходит на большом участке характеристики, где уже начинает сказываться ее кривизна. Такие условия имеют место в оконечных каскадах, где нелинейные искажения могут быть весьма значительными.
Рассматривая процесс возникновения нелинейных искажений, для простоты рассуждений будем считать, что усиливаемое колебание является чисто синусоидальным. На рис. 1а показаны усиливаемое и усиленное напряжения. Последнее имеет такую же форму, как и первое, но значительно превышает его по амплитуде. На рис. 1,б показано, что произойдет в действительности при большой амплитуде усиливаемого сигнала, когда последний выходит за пределы прямолинейного участка характеристики ламоы. В этом случае форма анодного тока уже несинусоидальна, кривая исказилась и стала несимметричной — во время положительных полупериодов амплитуда больше, чем во время отрицательных.
Математический анализ кривых, изображающих периодические колебания сложной формы, показывает, что искажение формы простого синусоидального колебания объясняется тем, что к нему добавляются колебания с частотами, кратными основной, так называемые гармонические колебания, или гармоники. Частота гармоник в целое число раз больше частоты основного колебания. Номер гармоники показывает величину этого целого числа. Например, частота второй гармоники в два раза больше основной частоты, третьей — в три раза больше и т. д. Основное колебание называют иногда первой гармоникой.
Рис. 2. Нелинейные искажения, возникающие вследствие появления второй (а) и третьей (б) гармоник: 1 — колебания основной частоты; 2 — вторая гармоника; 3 — результирующая кривая; 4 — третья гармоника
Состав несинусоидального колебания, т. е. номера входящих в него гармоник и относительная величина их амплитуд, зависит от формы искаженного колебания. Так, например, если синусоида искажена так, как показано на рис. 1, б (амплитуда верхнего полупериода больше амплитуды нижнего), то это значит, что к основному колебанию добавилась вторая гармоника (рис. 2, а). Если вершины синусоиды после усиления оказались сплюснутыми, то это показывает, что появилась третья гармоника (рис. 2, б), и т. д.
Из рассмотренного примера следует, что чистая синусоида является графическим изображением чистого тона определенной высоты; высота тона определяется частотой колебаний. Искажения в синусоиде свидетельствуют о том, что в процессе усиления возникли новые колебания, примешивающиеся к основному тону. Эти колебания создают звуки, которых не было в составе передаваемого сигнала, что, естественно, вызывает искажение звука. На слух такие искажения ощущаются различно: они проявляются в виде хрипов, дребезжания, вызывают неразборчивость речи и другие неприятные явления.
Мы рассмотрели искажения, могущие возникнуть при усилении синусоидального напряжения. Если усиливаемое напряжение представляет собой сложное колебание, состоящее из суммы простых синусоидальных, то все сказанное о нелинейных искажениях распространяется на каждую из этих составляющих синусоид. Все они подвергнутся искажениям, и суммарное сложное колебание будет искажено соответствующим образом.
Главной причиной возникновения нелинейных искажений при усилении является нелинейность характеристик ламп. Другой причиной искажений может явиться междуламповый или выходной трансформатор: если пластины его сердечника изготовлены из стали низкого качества (кривая намагничивания криволинейна) или же объем сердечника мал (наблюдается магнитное насыщение), то пропорциональность между анодным током лампы и напряжением на обмотках трансформатора нарушается и возникают искажения такого же характера, как рассмотренные выше. Поэтому правильно сконструированные усилители на сопротивлениях обычно вносят меньшие нелинейные искажения, чем усилители на трансформаторах.
Большие нелинейные искажения может также вызвать ток в цепи управляющей сетки лампы, возникающий в том случае, если амплитуда подводимого переменного напряжения превышает напряжение смещения. Он появляется в течение части положительного полупериода напряжения на сетке и в эти моменты создает дополнительную нагрузку для предыдущего каскада, в результате чего усиление его уменьшается и форма напряжения на выходе этого каскада искажается. От этих искажений можно легко избавиться, выбрав правильно отрицательное смещение на сетках ламп.
Для суждения о величине искажений пользуются так называемым коэффициентом нелинейных искажений или коэффициентом гармоник, который выражает относительное содержание гармоник в усиленном токе или напряжении. Количественно коэффициент гармоник у выражается как отношение квадратного корня из суммы квадратов токов (или напряжений) всех гармоник к току (или напряжению) основной частоты
где А — амплитуда токов или напряжений, соответствующих гармоник, номер которых указан в виде индекса.
Если коэффициент нелинейных искажений не превышает 3—5%, то мы практически не замечаем искажений; большие величины γ уже чувствуются, а при γ превышающем 12—15%, передача становится неприятной на слух.
Прибор для измерения нелинейных искажений позволяет отделить гармоники от основного тона и измерить соотношение между ними и последним. Точные лабораторные приборы (например, типов ИНИ-б и ИНИ-10), предназначенные для этой цели, довольно сложны. Простой прибор для измерения нелинейных искажений был описан в журнале «Радио» № 10 за 1954 год. Схема соединения приборов при измерении нелинейных искажений показана на рис. 3.
Рис. 3. Схема соединения приборов при измерении нелинейных искажений
Частотные искажения. Частотные искажения вызываются тем, что колебания различных частот при известных условиях усиливаются неодинаково. В усилителе НЧ это объясняется тем, что нагрузкой для ламп являются не только активные сопротивления, но и емкости (междуэлектродные емкости ламп, емкость монтажа, емкость разделительного конденсатора и др.), а иногда и индуктивности (дроссель, трансформатор), сопротивление которых на разных частотах различно. А поскольку усиление каскада с данной лампой зависит от величины сопротивления ее анодной нагрузки, то и усиление в этом случае оказывается различным на разных частотах. В усилителях на сопротивлениях обычно лучше всего усиливаются колебания средних частот звукового диапазона, примерно от 200 до 3 000 Гц. На более низких и более высоких частотах усиление уменьшается. В результате этого соотношение между амплитудами колебаний различных частот на выходе усилителя не соответствует. соотношению между амплитудами колебаний этих частот, подводимых к его входу, и характер звучания искажается.
Рис. 4, Искажение формы сложного колебания вследствие частотных искажений
Вследствие относительного ослабления колебаний верхних частот по сравнению со средними пропадают те характерные колебания в составе звука, которые придают ему определенную звуковую окраску, те особенности, которые отличают звучание различных музыкальных инструментов или разных голосов, т. е. тембр передачи искажается.
Рис. 5. Примерная частотная характеристика усилителя, низкой частоты
Ослабление колебаний нижних звуковых частот лишает звук сочности, придает ему звенящий, неестественный, металлический тембр. Точно так же чрезмерное усиление одних частот по сравнению с другими влечет за собой искажения.
Явления, происходящие вследствие частотных искажений, можно наглядно изобразить графически. Предположим, что усиливается сложное звуковое колебание, содержащее, помимо синусоидального колебания основной частоты, также вторую и третью гармоники. При этом амплитуда второй гармоники вдвое, а третьей — втрое меньше амплитуды основного тона. Форма такого сложного колебания и его составляющих изображена на рис. 4, а (в каждый момент времени ордината сложной кривой представляет собой сумму ординат всех трех составляющих кривых). Предположим теперь, что на более высоких частотах коэффициент усиления усилителя вдвое меньше, чем на основной частоте. Тогда на выходе усилителя амплитуды колебаний второй и третьей гармоник относительно амплитуды колебаний основной частоты будут вдвое меньше, чем в усиливаемом сигнале (рис. 4, б). В результате этого форма сложного колебания на выходе усилителя будет сильно отличаться от формы сигнала на его входе.
Следовательно, при частотных искажениях, как и при нелинейных, изменяется форма сигнала. Но если во втором случае искажение формы кривой объясняется появлением в процессе усиления новых колебаний, которых не было в составе основного сигнала, то в первом случае новые колебания не появляются, а искажение формы кривой объясняется только изменением соотношения между амплитудами колебаний разных частот, входящих в состав усиливаемого сложного колебания.
Чтобы иметь возможность судить о частотных искажениях, снимают частотную характеристику усилителя, которая изображает зависимость коэффициента усиления от частоты. Для этого от звукового генератора подают на вход усилителя колебания различных частот, лежащих в пределах его рабочего диапазона, причем напряжение на входе усилителя поддерживают при всех частотах постоянным. Тогда напряжение на выходе будет прямо пропорционально коэффициенту усиления на данной частоте. По полученным в результате измерений данным строят частотную характеристику усилителя (рис. 5).
Коэффициентом частотных искажений, обозначаемым буквой М, называют отношение М К/Кср, где Кср — коэффициент усиления па средних частотах, а К — коэффициент усиления па средних частотах, а К — коэффициент усиления на данной частоте.
В усилителях высокой частоты частотная характеристика должна быть достаточно широкой для того, чтобы пропустить без большого ослабления все боковые частоты, излучаемые радиостанцией. Если высокочастотный тракт приемника пропускает слишком узкую полосу частот, то воспроизведение передачи сопровождается частотными искажениями — ослабляются верхние звуковые частоты.
Фазовые искажения. Фазовые искажения могут иметь место только при усилении сложных колебаний, состоящих из нескольких простых синусоидальных колебаний разных частот. Так же как и частотные искажения, они появляются в результате наличия в анодной нагрузке лампы реактивных элементов, в частности емкостей. Это приводит к появлению сдвига фаз между токами и напряжениями звуковой частоты, причем этот сдвиг оказывается различным для колебаний разных частот. В результате может получиться так, что колебания разных частот как бы сдвигаются одно относительно другого во времени и форма результирующего сложного колебания исказится. Из рис. 6 видно, как резко изменяется вид сложного колебания, состоящего из колебаний основной частоты и ее второй гармоники, вследствие появления в результате усиления фазового сдвига между этими колебаниями.
Рис. 6. Искажение формы сложного колебания вследствие фазовых искажений: а — состав колебания на входе усилителя; б — состав колебания на выходе усилителя (1 — колебание основной частоты, 2 — вторая гармоника, 3 — суммарное колебание)
Этот вид искажений при приеме и усилении звуковых передач не имеет значения, так как наш слуховой аппарат не реагирует на сдвиг фаз между колебаниями разных частот. Иначе обстоит дело при приеме телевидения, — там фазовые искажения имеют существенное значение. Они приводят к появлению двойных контуров изображения, к резкому подчеркиванию границ между светлыми и темными местами и к некоторым другим явлениям. Для широкополосных усилителей, применяемых в телевидении, допустимы значительно большие нелинейные искажения, чем в звуковых усилителях радиоприемников.
Более важную роль в телевидении играют частотные искажения,. Ослабление усиления в области высших частот (спадание частотной характеристики на этих частотах) приводит к уменьшению четкости изображения: границы между светлыми и темными местами изображения становятся нечеткими, размытыми и само изображение также размывается.
Ослабление низших частот сказывается на качестве изображения меньше; оно приводит к тому, что у однотонных изображений изменяется яркость в вертикальном направлении.
6.2. Искажения в усилителях
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 искаженияобусловлены 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.
Снижение KU на высших частотах объясняется влиянием паразитных емкостей «коллектор – база», «коллектор – эмиттер» и «база – эмиттер», а также паразитных емкостей, которые возникают при монтаже. Эти емкости на высоких частотах приводят к закорачиванию транзисторов и снижению усиления сигнала.
Для количественной оценки частотных искажений используют коэффициент частотных искажений(M), равный отношению коэффициента усиления на средних частотах (Kср) к коэффициенту усиления на данной частоте (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.
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):
Вотличие от линейных искажений,нелинейные искаженияв усилителях обусловлены наличием нелинейных элементов, в первую очередь, транзисторов, а также других элементов с нелинейными ВАХ. Нелинейные искажения связаны только с амплитудой входного сигнала и не связаны с его частотой.
При входном сигнале синусоидальной формы нелинейные искажения проявляются в том, что выходной сигнал не является синусоидальным. При разложении в ряд он оказывается состоящим из основной гармоники, имеющей частоту входного сигнала, и ряда высших гармоник. Величина нелинейных искажений в случае синусоидального сигнала оценивается коэффициентом нелинейных искажений
При наличии нелинейных искажений напряжение или ток первой гармоники является полезным усиленным сигналом. Все высшие гармоники, начиная со второй, являются следствием нелинейных искажений. Уровень нелинейных искажений пропорционален мощности высших гармоник, и при усилении синусоидального сигнала оценивается коэффициентом нелинейных искажений (клирфактором):
,
где n– номер гармоники.
При оценке нелинейных искажений в большинстве случаев учитывают только вторую и третью гармоники, так как более высокие гармоники выходного сигнала обычно имеют малую мощность. B многокаскадных усилителях (когда каскады вносят примерно одинаковые нелинейные искажения) общий коэффициент нелинейных искажений принимается равным сумме коэффициентов нелинейных искажений каждого каскада:
B общем случае нелинейные искажения отдельных каскадов могут частично компенсировать друг друга вследствие сдвига колебаний по фазе. Реальные усиливаемые сигналы в большинстве случаев отличаются от синусоидальных. При их усилении возникают новые гармоники и гармоники комбинационных частот, поэтому величина Kг не дает полной оценки уровня нелинейных искажений сигнала со сложным спектральным составом.
B многокаскадных усилителях наибольшие нелинейные искажения обычно возникают в оконечных каскадах, на вход которых поступают сигналы с большой амплитудой.
При отсутствии линейных искажений (т.е. реактивных элементов в схеме усилителя) соотношение основной и высших гармоник на выходе не зависит от частоты входного сигнала, а зависит только от его амплитуды; характерно также отсутствие какого бы то ни было сдвига фаз между входным и выходным сигналами.
Сигнал сложной формы, очевидно, сам состоит из ряда гармоник. Поэтому его нелинейные искажения проявляются либо в возникновении дополнительных гармоник, либо (в случае бесконечного ряда гармоник на входе) – в изменении «спектрального состава гармоник», т.е. соотношения их амплитуд.
Следует отметить, что между линейными и нелинейными искажениями существует связь, несмотря на их различное происхождение. Пусть, например, в каком-либо промежуточном каскаде усилителя получились нелинейные искажения, т.е. появились высшие гармоники. Эти гармоники могут быть либо дополнительно подчеркнуты, либо частично подавлены, в зависимости от вида частотных характеристик последующих каскадов.
Полное отсутствие нелинейных искажений принципиально невозможно, потому что в усилителях используются такие управляющие элементы, как биполярные или полевые транзисторы. На рис.6.8 приведен пример возникновения нелинейных искажений, обусловленные нелинейностью ВАХ биполярного транзистора. Из графиков видно, что при подаче на базу транзистора напряжения синусоидальной формы входной ток базы будет отличаться от синусоиды.
Какие искажения существуют в усилителе
Классификация искажений. Принципы оценки линейных искажений
Выходной сигнал любого реального усилителя всегда несколько отличается от усиливаемого оригинала. Связано это с неидеальностью усилителя, и конкретно — с наличием в нем искажений. Все существующие в усилителях искажения усиливаемого сигнала можно разделить на две большие группы — линейные и нелинейные искажения.
Линейные искажения не нарушают амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале. На рис. 4.1а. показаны амплитудные характеристики (то есть зависимости выходного напряжения от входного) идеальных усилителей с различными коэффициентами усиления. При наличии в усилителе линейных искажений сигнала, амплитудная характеристика не претерпевает никаких искажений. Тем не менее, линейные искажения, разумеется, искажают усиливаемый сигнал. Эти искажения связаны с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики усилителя и нелинейности его фазо-частотной характеристики. В связи с этим, линейные искажения часто называют частотными. Главным признаком линейных искажений является то, что они не вызывают появления в спектре выходного сигнала новых составляющих. В результате влияния линейных искажений, могут лишь изменяться уровни его отдельных спектральных (частотных) составляющих.
Рис. 4.1 Передаточные характеристики и производимые ими искажения
Поскольку линейные искажения обычно вызывают нарушения амплитудно-частотной характеристики — как правило, их величина определяется именно способом исследования этой характеристики усилителя. Тем не менее, как уже было сказано выше, линейные искажения могут вызываться и нарушением линейности фазо-частотной характеристики усилителя, что проявляется в неодинаковости времени распространения различных частотных составляющих усиливаемого сигнала. Громкоговоритель с системой разделения спектра звукового сигнала и аналоговые магнитофоны хорошо демонстрируют это явление.
Неплохим способом выявления заметных линейных искажений в усилителе, является подача на его вход импульсов прямоугольной формы и наблюдение формы выходного сигнала при помощи осциллографа. Передний фронт сигнала прямоугольной формы очень чувствителен как к нарушениям равномерности амплитудно-частотной характеристики, так и к нарушениям линейности фазо-частотной характеристики. В случае заметных линейных искажений, форма прямоугольных импульсов на выходе усилителя будет существенно нарушена, что легко видно на экране осциллографа. Такой простой тест в какой-то степени является альтернативой необходимости исследования амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик усилителя.
В отличие от линейных, нелинейные искажения вызывают нарушение линейности амплитудной характеристики усилителя. Примеры нелинейных амплитудных характеристик усилителей показаны на рис. 4.1 б, в, г. Искажения амплитудной характеристики усилителя приводят к существенным искажениям амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале и могут вызывать значительные изменения его формы. В отличие от линейных искажений, нелинейные искажения всегда приводят к появлению в выходном сигнале дополнительных спектральных (частотных) составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Если линейные искажения изменяют основном окраску звука, то проявление нелинейных искажений еще более пагубно, поскольку они приводят к существенным изменениям усиливаемого сигнала.
Поскольку, нелинейные искажения проявляются в появлении в выходном сигнале новых спектральных составляющих, многие методики оценки этих искажений заключаются в оценки уровней этих составляющих. Также существуют методики измерений, основанные на оценке кривизны амплитудной характеристики усилителя.