2.2. Фазовые искажения усилителя

Фазочастотные (фазовые) искажения усилителя оцениваются по его фазочастотной характеристике (ФЧХ), представляющей собой зависимость угла сдвига фазы φ_К между выходным и входным напряжениями от частоты сигнала.

Идеальными фазовыми характеристиками, при которых фазовых искажений нет, являются прямые, проходящие через начало координат (рис.14).

Уравнение идеальной фазовой характеристики имеет вид:

Φ_К= -t_ЗАПω= -t_ЗАП2πf;

где t_ЗАП – время запаздывания гармонических составляющих сигнала, которое будет тем меньше, чем меньше наклон фазовой характеристики.

Рис.14 Идеальная фазовая характеристика.

При поступлении на вход усилителя с такой фазовой характеристикой гармонического сигнала с любой частотой ω

U_ВХ = U_{m ВХ} sinωt на выходе усилителя сигнал будет иметь вид:

U_ВЫХ = КU_{m ВХ} sin(ωt - φ_к) = KU_{m ВХ} sinω(t - t_ЗАП).

Это означает, что при идеальной фазовой характеристике гармонические составляющие сложного гармонического сигнала независимо от их частоты будут запаздывать на одно и то же время и, следовательно, форма сложного гармонического сигнала на выходе усилителя не будет отличаться от формы сигнала на его входе, т. е. фазовых искажений не будет. Просто сложный гармонический сигнал на выходе усилителя будет запаздывать по времени относительно входного сигнала. Это запаздывание в большинстве случаев не сказывается на работе устройств, в состав которых входит усилитель. Если оно нежелательно, то принимают меры по его уменьшению.

Как видно, в области средних частот фазовых сдвигов нет, что объясняется пренебрежимо малым влиянием реактивных составляющих усилителя и инерционности УЭ. В областях верхних и нижних частот появляются фазовые сдвиги вследствие заметного влияния реактивных элементов усилителя и инерционных свойств УЭ.

Реальные фазовые характеристики обычно отличаются от идеальных. Типичная реальная фазовая характеристика имеет вид, приведенный на рис.15.

Рис.15 Реальная фазовая характеристика.

Отклонения реальной фазовой характеристики от идеальной и приводят к фазовым искажениям сложного гармонического сигнала, так как при этом время запаздывания отдельных его гармонических составляющих будет различным. В особых случаях фазовые характеристики строят в линейном масштабе по оси частот, что необходимо для правильной оценки фазовых искажений по ним. Поскольку при этом возникают трудности с выбором масштаба, удобного для области как верхних, так и нижних частот, то реальную фазовую характеристику строят отдельно для области верхних частот (от f₀ до f_В) и для области нижних частот (от f_Н = 0 до f_СР.Ч), каждую со своим удобным масштабом.

Как видно, в области верхних частот фазовые искажения Ф_В меньше вносимого усилителем на верхней граничной частоте f_в углом сдвига фазы φ_Кв, а в области нижних частот, где касательная к реальной фазовой характеристике совпадает с осью частот, фазовые искажения Ф_Н численно совпадают с вносимым усилителем на нижней граничной частоте углом сдвига фазы φ_Кн.

В заключение рассмотрения АЧХ и ФЧХ усилителя гармонических сигналов следует отметить, что они могут быть заменены одной частотно-фазовой характеристикой усилителя (или годографом коэффициента усиления усилителя). Годограф строят на основе комплексного выражения для коэффициента усиления по напряжению К = K(cosφ_к + jsinφ_к) или сквозного коэффициента усиления на комплексной плоскости (или в полярных координатах), откладывая векторы К под углами φ_к. на различных частотах, как показано на рис. 16. Годограф представляет собой кривую, описываемую концом вектора К на этой плоскости при изменении частоты сигнала от 0 до ∞.

Частотно-фазовая характеристика показывает изменения с частотой как модуля коэффициента усиления К так и его аргумента φ_к. Она удобна для оценки устойчивости работы усилителей с отрицательной обратной связью. Для оценки частотных и фазовых искажений усилителя она не используется, ибо недостаточно наглядна для этого.