3.2.1.3. Искажения, вносимые усилителем

От электронных усилителей требуется неискажённое усиление сигналов. Но по ряду причин в усилителе неизбежно возникают искажения, вследствие чего форма усиленного сигнала в той или иной степени отличается от формы сигнала на входе усилителя. Практически искажения не должны превышать допустимую величину. Существует ряд причин, вызывающих искажения раз-ных видов.

Различают линейные и нелинейные искажения. Линейными искажениями называются такие, которые вносит усилитель, работающий в режиме малого сигнала, то есть в линейном режиме. Нелинейные искажения возникают при ра-боте усилителя в режиме большого сигнала, когда проявляются нелинейные зависимости между напряжениями и токами в его цепях.

Линейные искажения в установившемся режиме проявляются в виде час-тотных искажений. Линейные искажения в устанавливающемся режиме про-являются в виде переходных искажений. Для количественной оценки вносимых усилителем искажений используют основные характеристики усилителя: час-тотную; переходную; динамическую. Частотная и переходная характеристики используются для оценки линейных искажений, а динамическая – для опреде-ления нелинейных искажений.

Существенное значение в отношении неискажённого усиления имеют вносимые усилителем шумы.

Частотные искажения

Частотные искажения обусловлены частотной зависимостью коэффици-ента передачи усилителя, что приводит к изменению соотношений амплитуд и начальных фаз составляющих частотного спектра сигнала на выходе по сравне-нию с их соотношениями на входе усилителя. В результате форма усиливаемо-го сигнала искажается.

Причиной образования частотных искажений является наличие в схеме усилителя реактивных элементов (ёмкостей, индуктивностей), приводящее к за-висимости от частоты напряжений и токов в цепях усилителя.

Частотной характеристикой усилителя называется зависимость его ко-эффициента передачи от частоты при постоянстве напряжения на входе, то есть иприU₁ = const.

Больший практический интерес представляют искажения напряжения, поскольку режим работы элементов нагрузки усилителя определяется обычно напряжением, а не током. Имея это в виду, опустим индексы коэффициента пе-редачи, указывающие на его принадлежность к напряжению.

Частотная характеристика строится в прямоугольной системе координат, по вертикальной оси в линейном масштабе откладывают K в абсолютных или логарифмических единицах, а по горизонтальной оси – частоту f в герцах или угловую частоту  = 2f в логарифмическом масштабе. Необходимость приме-нения логарифмического масштаба по оси частот вызывается широким частот-ным диапазоном современных усилителей.

Типичная амплитудно-частотная характеристика усилителя приведена на рис. 1.4.

На рис.1.4 K_н, K_в и K₀ – значения коэффициента усиления на низшей, высшей и средней частотах диапазона (под средней частотой f₀ подразумевает-ся частота наибольшего усиления, обычно близкая к ). Идеальная АЧХ усилителя, соответствующая отсутствию вносимых усилителем искажений, представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс. При отклонении реаль-ной характеристики от идеальной возникают частотные искажения. Как видно из рисунка 1.4, в области средних частот (с.ч.) реальная характеристика совпа-дает с идеальной, что и свидетельствует об отсутствии искажений в этой облас-ти.

На основании характеристики, изображённой на рис. 1.4, могут быть определены амплитудно-частотные искажения. Количественная оценка этих ис-кажений может производиться посредством коэффициента частотных иска-жений

где K – коэффициент усиления на частоте (K_н или K_в), для которой определяют-ся искажения. В частных случаях для частот f_н и f_в

.

Чаще для оценки частотных искажений, вносимых усилителем, пользуют-ся относительным или нормированным усилением

Очевидно, что

Изменение усиления, определяемое коэффициентами M и y, может быть выражено в логарифмических единицах. Эта величина, называемая неравно-мерностью усиления, находится как

(дБ). (1.8)

Из рис. 1.4 видно, что для идеальной АЧХ на всех частотах диапазона ,y = 1 или Y = 0.

Рассмотрим схему резистивного каскада при включении транзистора с общим эмиттером (ОЭ), рис. 1.5.

Для того, чтобы яснее представлять себе работу каскада ОЭ на разных частотах диапазона, проанализируем схемы замещения этого каскада в области средних, низших и высших частот. Эти схемы представлены на рис. 1.6.

Схема замещения в области низших частот приведена без учёта влияния цепи C_эR_э, так как емкостное сопротивление конденсатора C_э на всех частотах, вплоть до самой низкой, во много раз больше сопротивления R_э. В то же время влиянием ёмкости C_с пренебречь нельзя, так как по мере уменьшения частоты её емкостное сопротивление увеличивается и падение напряжения на нём также возрастает, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузкеR_н и спаду частотной характеристики, обусловленному перераспределением напряжений между иR_н. На схеме замещения в области высших частот (рис.1.6, в) отсутствует ёмкость C_c, так как в этой области частот её емкостное сопротивление ничтожно мало и им можно пренебречь, но параллельно R_н ока-зывается подключённой емкость C₀, включающая в себя ёмкость коллекторного p-n перехода C_к и ёмкость монтажа C_м. По мере увеличения частоты её емкост-ное сопротивление уменьшается и начинает шунтировать сопротивление нагрузки, в результате общее эквивалентное сопротивление уменьшается, что и приводит к уменьшению напряжения на выходе и спаду АЧХ в области верх-них частот.

В области средних частот, как это видно из схемы рис. 1.6, а, отсутствуют реактивные элементы, то есть нет частотно-зависимых сопротивлений, чем и обусловлена неизменность усиления на этих частотах.