1.2. Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудные искажения. Предупреждение амплитудных искажений.

Рассмотрим усиление синусоидального (гармонического) сигнала. Для того чтобы форма сигнала при усилении не изменялась, коэффициент усиления должен быть одинаков для различных напряжений в пределах изменения входного сигнала. В этом случае зависимость U_{max вых} =f (U_{max вх}), называемаяамплитудной характеристикой усилителя, имеет линейный вид U_{max вых} =RU_{max вх}(рис.1; прямая линия). На самом деле линейная зависимость выполняется в ограниченной области изменения входного напряжения, при выходе за пределы этой области линейность зависимости нарушается.

Рис.1. Амплитудная характеристика усилителя.

Если входной гармонический сигнал выйдет за пределы линейной части амплитудной характеристики, то выходной сигнал уже не будет гармоническим. Возникнут нелинейные (амплитудные) искажения.

Графически усиление гармонического сигнала иллюстрируется на рис.2 без искажения (а) и с искажением (б).

Рис.2. Усиление гармонического сигнала.

Каждый из этих рисунков содержит три графика. На одном (оси U_вх иU_вых) указана амплитудная характеристика: линейная и нелинейная. На нижнем графике приведена зависимость входного напряжения от времени. Эта зависимость синусоидальная, но сдвинутая относительноU_вх = 0 на некоторую постоянную величину. График расположен необычно, так как используется общая осьU_вх с предыдущей зависимостью. На левом графике дана временная зависимость выходного напряжения. Здесь тоже осьU_вых принадлежит двум графикам. Этот график строится следующим образом. Из нижнего графика находят значенияU_вхдля некоторых фиксированных моментов времени, затем по амплитудной характеристике устанавливают соответствующие значенияU_выхи переносят их на левый график (штриховые линии; точки с одинаковыми символами соответствуют одному и тому же времени).

На графиках зависимости U_вых=f(t) в случае линейной амплитудной характеристики (a) видна синусоида, следовательно, усиленный сигнал не искажен. При нелинейности характеристики (б) выходной сигнал периодический, но не синусоидальный, следовательно, происходит искажение сигнала при усилении. Периодический сигнал может быть представлен суммой гармоник, поэтому нелинейные искажения можно рассматривать как появление новых гармоник в сигнале при его усилении. Чем больше новых гармоник, чем выше их амплитуда, тем сильнее нелинейные искажения, что оцениваетсякоэффициентом нелинейных искажений

,

Где Umax1– амплитуда напряжения основной гармоники; Umax2, Umax3, … - амплитуды новых гармоник. Для точного воспроизведения сигнала коэффициент, очевидно, должен быть минимален.

1.3. Частотная характеристика усилителя.Частотные искажения. Полоса пропускания усилителя. Предупреждение частотных искажений.

Использование линейного участка характеристики еще не является гарантией неискаженного усиления электрического сигнала.

Если усиливаемый сигнал несинусоидальный, то он может быть разложен на отдельные гармонические составляющие, каждой из которых соответствует своя частота. Так как в усилителях используются конденсаторы и катушки индуктивности, а их сопротивление зависит от частоты, то коэффициент усиления для разных гармонических составляющих может оказаться разным. Отметим, что индуктивные свойства резисторов и емкостные свойства проводников, сколь бы малы они не были, при увеличении частоты тоже могут оказать существенное влияние на коэффициент усиления.

Таким образом, существенна зависимость k = f()илиk = f(v), которая получила названиечастотной характеристики усилителя. Для того чтобы ангармонический сигнал был усилен без искажения (даже при использовании линейной части амплитудной характеристики), необходима независимость коэффициента усиления от частоты. Частотная характеристика должна иметь вид k =const. На практике это не реализуется и приводит к искажениям, получившим названиелинейных или частотных.

Линейные искажения иллюстрируются на рис.3.

Рис.3. Линейные искажения.

На рис.3а изображен периодический сигнал 3, который является суммой двух синусоид (1 и 2). Если синусоидальные сигналы усиливаются по-разному, например один с k₁ =2, а другой сk₂= 0,5, то результирующий усиленный сигнал отличается от входного (сравните кривые на рис.3 а, б).

Частотную характеристику усилителя обычно изображают графически (рис.4). Из рисунка видно, что в пределах коэффициент усиления примерно постоянен. В радиотехнике принято считать, что уменьшение его до 0,7k_max(илиk_max/) практически не искажает сигнала. Диапазон частотназываютполосой пропускания усилителя.

Для расширения полосы пропускания приходится усложнять усилительные схемы. Однако диапазон частот, которые надо усиливать без искажения, определяется задачами усиления. Так, для усиления звука достаточно полосы 30 Гц – 18 кГц, а усиление видеоимпульсов требует значительно большей полосы пропускания.

Рис.4. Частотная характеристика усилителя.

Частотная характеристика имеет большое значение при выборе усилителя для записи биопотенциалов, имеющих характер сложного колебания с различными пределами частот в их гармоническом спектре. Поэтому не всегда усилитель, предназначенный для записи одних биопотенциалов, может быть использован для записи других.

1.4. Ламповый усилитель.

Простейшим видом усилителя является ламповый усилитель напряжения с нагрузкой в виде резистора (резистивный усилитель), схема которого на триоде показана на рис.5.

Рис.5. Ламповый усилитель.

Малые колебания сеточного напряжения лампы вызывают значительные колебания анодного тока. Соединив анод лампы с резистором R_Hнагрузки, можно получить значительные колебания падения напряжения на этом резисторе (этим и обусловливается название усилителя). В качестве нагрузки применяют также катушку индуктивности, трансформатор, колебательный контур и т.д.

Чтобы избежать нелинейных искажений, надо использовать пропорциональную зависимость между силой анодного тока и сеточным напряжением, т.е. линейный участок сеточной характеристики. Для этого, во-первых, нужно задать напряжение на сетке при отсутствии переменного сигнала. Это значение, называемое рабочей точкой усилителя, должно находиться примерно посередине линейного участка сеточной характеристики и, как правило, в области отрицательных значений напряжения сетки. Во-вторых, амплитуда усиливаемого сигнала должна удовлетворять тому условию, чтобы результирующее сеточное напряжение находилось в пределах линейного участка характеристики.