7. Нелинейные искажения

Особенностью нелинейных искажений является такое искажение формы сигнала, при котором в его спектре появляются новые частотные составляю-щие.

Нелинейность усилителя вызывается наличием в нем нелинейных элемен-тов (транзисторы, лампы, трансформаторы, диоды). Нелинейный элемент со-держит нелинейные параметры (входные сопротивления транзисторов, диодов, динамическая магнитная проницаемость материала сердечника трансформато-ра).

Нелинейные искажения оцениваются на основе динамической характе-ристики, представляющей собой зависимость между мгновенными значениями токов или напряжений на выходе и входе усилителя. Динамическая характе-ристика определяется для больших пределов изменения сигналов, приво-дящих к заходу в области нелинейных зависимостей между напряжениями и токами.

Различают следующие виды динамических характеристик:

1. Выходная динамическая характеристика типа i₂ = F(u₂);

2. Входная динамическая характеристика типа i₁ = F(u₁);

3. Проходная динамическая характеристика типа i₂ = F(u₁);

4. Сквозная динамическая характеристика типа i₂ = F(e₁).

Здесь i₂ и u₂ – мгновенные значения токов и напряжений на выходе, i₁ и u₁ – мгновенные значения токов и напряжений на входе, e₁ – ЭДС источника сиг-налов на входе усилителя.

В качестве примера рассмотрим типичную по форме проходную характе-ристику i₂ = F(u₁), используемую часто для расчёта нелинейных искажений (рис. 1.14, а).

Динамическая характеристика, соответствующая отсутствию вносимых усилителем искажений приведена на рис. 1.14, а.

При отклонении динамической характеристики от прямолинейной воз-никают нелинейные искажения. Основные нелинейные искажения вносят око-нечные и предоконечные каскады, активные усилительные элементы в которых работают в режиме большого сигнала.

Методы количественной оценки нелинейных искажений

Величина нелинейных искажений может определяться:

1) непосредственно по форме динамической характеристики;

2. по спектру образующихся нелинейных искажений (гармоники, комби-национные частоты).

При оценке нелинейных искажений по первому способу, используемому в телевидении, величина искажений определяется отношением среднего изме-нения крутизны динамической характеристики происходящего при колебаниях напряжения сигнала в пределах отu_{1 max} до u_{1 min} , к исходному значению крутизны при u_{1 0}, равному tg₀, что соответствует коэффициенту не-линейных искажений

(1.12)

Сказанное поясняется рисунком 1.15.

При оценке нелинейных искажений по второму способу необходимо предположить, что:

а) входной сигнал представляет собой установившееся гармоническое ко-лебание определённой частоты;

б) входной сигнал представляет собой установившиеся периодические ко-лебания сложной формы.

Случаи (а) и (б) существенно отличаются как по характеру образующихся нелинейных искажений, так и в отношении методики их расчёта и измерений.

В случае (а) вследствие нелинейности усилителя, помимо колебаний с частотой сигнала ₁, на входе образуются колебания гармоник с частотами ₂ = 2₁; ₃ = 3₁ и т.д.

При этом величина нелинейных искажений определяется коэффициентом гармоник К_г, представляющим собой отношение суммарного действующего значения напряжения (или тока) гармоник к напряжению (или току) основной частоты.

Обычно коэффициент гармоник выражается в процентах таким образом:

(1.13)

или

. (1.14)

Очевидно, что значение К_г не изменяется, если вместо действующих значений напряжений или токов подставить в эти выражения их амплитудные значения. При чисто активном характере сопротивления нагрузки усилителя ко-эффициент гармоник, найденный из выражений (1.13) и (1.14), имеет одно и то же значение, так как напряжения и токи всех гармоник связаны между собой неизменной величиной сопротивления. При комплексном характере сопротив-ления нагрузки значения К_г, найденные из указанных выражений, получаются различными, и следует использовать (1.13) или (1.14) в зависимости от того, что является в рассматриваемом случае существенным – нелинейные искаже-ния напряжения или тока.

В любом случае коэффициент гармоник может быть выражен через отно-шение суммарной мощности гармоник к мощности основной частоты, то есть

. (1.15)

Допустимая величина коэффициента гармоник для усилителей звуковой частоты в зависимости от качества соответствующего тракта воспроизведения колеблется в пределах от 0,1% до (3…5)%. Особенно жёсткие требования в от-ношении нелинейных искажений предъявляются к усилителям измерительной аппаратуры (К_г порядка сотых и тысячных долей процента). В телевизионных усилителях нелинейные искажения, приводящие к изменению соотношения яркостей, могут быть значительной величины (К_г = 10…15%), не оказывая су-щественного влияния на качество изображения. То же относится и к импульс-ным усилителям, использующим к тому же в ряде случаев ограничение сигна-лов по максимуму.