3.7.Нелинейные искажения усилителей

Нелинейные искажения это отклонения формы сигнала на выходе уси-

лителя от формы сигнала на его входе, вызванные влиянием нелинейности характеристик УЭ (БТ, ПТ, ЭЛ и т.д.), а также влиянием нелинейности характеристик намагничивания магнитных материалов сердечников трансформаторов, если последние применяются в усилителях. Они возникают из-за того, что амплитуда сигнала выходит за пределы линейных участков этих характеристик.

Нелинейные искажения зависят от уровня сигнала. Как отмечалось в разделе 3.5., посвященном рассмотрению АХ U_вых=f(U_вх), сквозной АХ U_вых=f(Е_ист) и сквозной динамической характеристики u_вых (или i_вых)=f(e_ист) усилителя при больших сигналах на входе и выходе усилителя, превышающих номинальные значения Е_{ист.ном.}, U_вх.ном.,U_{вых.ном}, наступает перегрузка усилителя, приводящая к резкому увеличению нелинейных искажений и, как следствие, к нарушению пропорциональности между U_вых и U_вх (или Е_ист) в АХ и между u_вых(или i_вых) и e_ист в сквозной динамической характеристике усилителя.

Отличительной особенностью нелинейных искажений является появление в спектре искаженного выходного сигнала новых гармонических составляющих, которых не было в спектре входного сигнала, и, прежде всего, высших гармоник входного сигнала, представляющих собой гармонические составляющие с частотами, кратными частоте входного сигнала. Так, при воздействии на вход усилителя гармонической ЭДС, изменяющейся по синусоидальному закону e_ист= Е_m._ист. sin₁t (где ₁=2f₁), выходной сигнал при нелинейных искажениях будет отличаться по форме от синусоидального и, следовательно, в нем кроме гармонической составляющей с частотой входного сигнала ₁=2f₁ будут содержаться и гармонические составляющие с частотами, кратными частоте входного сигнала 2₁, 3₁, 4₁ и т.д. (или 2f₁, 3f₁, 4f₁ и т.д.), то есть высшие гармоники, которые, как и составляющая основной частоты (первая гармоника), выявляются путем разложения в ряд Фурье искаженного выходного сигнала.

В связи с этим за меру, характеризующую влияние нелинейности гармонических усилителей, в том числе усилителей звуковых частот (УЗЧ),предназначенных для усиления сигналов речи и музыки, принимают коэффициент гармоник К_Г, который представляет собой отношение действующего (эффективного) значения напряжения (или тока) всех появившихся в выходном сигнале высших гармоник к действующему (эффективному) значению напряжения (или тока) гармонической составляющей основной частоты (первой гармоники, отображающей сам сигнал) при воздействии на вход усилителя синусоидальной ЭДС (и частотно- независимом сопротивлении нагрузки усилителя):

, (3.32)

где U_вых1, U_вых2, U_вых3, U_вых4 и т.д. и I_вых1, I_вых2, I_вых3, I_вых4 и т.д. – действующие (эффективные) значения соответственно первой, второй, третьей, четвертой и т.д. гармоник выходного напряжения и тока.

Расчет К_Г проводят графически по сквозной динамической характеристике методом пяти ординат, о сути которого будет сказано дальше.

При расчетах обычно удобнее пользоваться не эффективными, а амплитудными значениями токов первой, второй, третьей, четвертой и т.д. гармоник. В этом случае выражение (3.32) записывается в виде:

. (3.33)

На практике иногда возникает необходимость в оценке нелинейности по отдельным гармоникам:

; ; и т.д.(3.34)

Тогда полный коэффициент гармоник будет определяться выражением:

. (3.35)

Обычно коэффициент гармоник выражается в процентах: К_Г%=К_Г^.100.

Коэффициент гармоник широко используется для оценки нелинейности усилителей гармонических сигналов, в том числе усилителей звуковых частот, предназначенных для усиления сигналов речи и музыки.

Поскольку нелинейные искажения сигналов ухудшают качество воспроизведения содержащейся в них информации и, в частности, качество речи и музыки, то вносимые усилителями нелинейные искажения всегда нормируются. Допустимая величина коэффициента гармоник зависит от назначения усилителей. В высококачественных усилителях сигналов речи и музыки обычно , в усилителях вещательных трактов первого класса на средних частотах и на нижних частотах (с учетом искажений, вносимых выходным трансформатором усилителя), в звуковых усилителях среднего качества , в измерительных усилителях составляет десятые и сотые доли процента. Для сравнения можно отметить, что нелинейные искажения сигналов речи и музыки на слух не воспринимаются, если коэффициент гармоник К_Г не превышает примерно (0,2…0,5)%.

Следует отметить, что наряду с методом оценки нелинейности звуковых усилителей по коэффициенту гармоник, находит применение также метод, при котором за меру, характеризующую влияние нелинейности усилителей звуковых частот, принимают так называемый коэффициент интермодуляционных искажений, представляющий собой отношение амплитуды разностной (комбинационной) частоты , появляющейся в выходной цепи усилителя при воздействии на его выход двух синусоидальных ЭДС с разными частотами и (или 10кГц) и с отношением их амплитуд 4:1, к выходной амплитуде частоты . Допустимым значением этого коэффициента считается его значение .

Этот метод возник в связи с тем, что при нелинейных искажениях таких сложных по форме и спектру гармонических сигналов, каковыми являются сигналы речи и музыки, наряду с гармониками, возникают и составляющие комбинационных частот, которые воспринимаются на слух.

Так, например, при подаче на вход усилителя сигнала, содержащего, по крайней мере две гармонические составляющие с частотами и , на выходе при нелинейных искажениях, возникнут не только гармоники , и т.д. и , и т.д., но и составляющие с комбинационными частотами , , и т.д.

Однако, несмотря на это, метод оценки нелинейности усилителей с помощью коэффициента гармоник получил наибольшее применение, так как, во-первых, коэффициент гармоник неплохо характеризует нелинейные свойства усилителя (ведь амплитуды комбинационных частот и амплитуды гармоник пропорциональны друг другу), и, во-вторых, приборы, используемые для измерения К_Г значительно проще приборов, с помощью которых анализируют спектр сигналов и измеряют величину отдельных его составляющих.

При усилении импульсных сигналов нелинейность усилителя проявляется иначе, чем при усилении гармонических сигналов. Так, при усилении прямоугольных импульсов с одинаковым размахом (модулированные по длительности импульсы) нелинейность усилителя не играет роли. При усилении же прямоугольных импульсов с различным размахом (как это имеет место в телевидении) нелинейность усилителя приводит к изменению соотношения уровней импульсов на выходе усилителя и, как следствие, к изменению относительной плотности (градации) полутонов изображения на экране кинескопа. При усилении же трапецеидальных, треугольных и др. импульсов с наклонными фронтами нелинейность усилителя приводит к искривлению наклонных фронтов усиленных импульсов.

В связи с этим нелинейность импульсных усилителей оценивают не коэффициентом гармоник, который не учитывает специфику импульсных сигналов, а коэффициентом нелинейности К_нл, представляющим собой относительное изменение крутизны (производной) зависимости мгновенных значений выходного тока i_вых от мгновенных значений ЭДС сигнала во входной цепи усилителя е_ист, то есть сквозной динамической характеристики усилителя i_вых=f(е_ист), в пределах изменения сигнала (е_{ист.макс} - е_{ист.мин}), как это показано на рис.3.4.

Выражение для коэффициента нелинейности имеет вид:

, (3.36)

где и – наибольшее и наименьшее значение крутизны

(производной ) сквозной динамической характеристики усилителя в пределах используемого участка этой характеристики.

Этот метод оценки нелинейности применяют в видеоусилителях, в усилителях для осциллографов и т.д. В телевидении находят применение и другие методы нелинейности.