Частотные и фазовые (линейные) искажения

Сигнал на входе усилителя может быть гармоническим или сложной формы. Сигнал любой формы можно представить состоящим из целого ряда гармонических составляющих (гармоник). Если усилитель усиливает одинаково все гармоники, то сигнал на выходе будет повторять по форме сигнал на входе. Однако, как уже указывалось, в усилителе имеются реактивные элементы (конденсаторы, дроссели, межэлектродные емкости и др.), сопротивление переменному току которых зависит от частоты. Поэтому в реальных усилителях гармоники с разными частотами усиливаются по-разному, т.е. коэффициент усиления изменяется с изменением частоты. На выходе усилителя изменяется соотношение между амплитудами гармоник и форма сложного сигнала будет отличаться от формы сигнала на входе. Искажения такого рода называют частотными искажениями.

Кроме частотных, в усилителе возникают фазовые искажения, которые получаются из-за того, что при прохождении сигнала через усилитель происходит изменение фазы сигнала, вызванное теми же реактивными элементами. Причем фаза каждой гармоники меняется по-разному. Поэтому фазовые сдвиги могут привести к изменению взаимного расположения гармоник на выходе и к искажению сигнала, даже если все гармоники усиливаются одинаково. И частотные, и фазовые искажения являются линейными, так как они вызываются линейными элементами (емкостями, индуктивностями). При этом форма гармонического сигнала (отдельной гармоники) не изменяется, а искажения сложного сигнала получаются из-за относительного изменения отдельных гармоник по величине и по фазе.

1.2.3. Частотная характеристика усилителя

Представление о величине и характере частотных искажений дает частотная характеристика усилителя. Она представляет собой зависимость модуля коэффициента усиления K(  ) от частоты Весь этот диапазон условно разбит на область средних частот, в которых усиление практически не зависит от частоты (K₀), и области высших и низших частот, где усиление существенно изменяется с изменением частоты. Низшую частоту f_н, на которой усиление снижается до заданной величины K_н, называют низшей граничной частотой, а высшую частоту f_в, на которой коэффициент усиления уменьшается до заданной величины K_в, – высшей граничной частотой.

Рис. 1.3

K_н и K_в могут быть различными, но чаще их задают одинаковыми (K_н=K_в). Область частот f от f_н до f_в (f = f_в – f_н) называют полосой пропускания усилителя. В пределах полосы пропускания коэффициент усиления не опускается ниже K_н и K_в. Для анализа усилителей часто используют нормированную частотную характеристику M( f ), показанную на риc. 1.3,б:

(1.8)

называют коэффициентом частотных искажений.

1.2.4. Нелинейные искажения

Искажения, вызываемые нелинейными элементами, называют нелинейными. Активные элементы (транзисторы) при работе с сигналами большой амплитуды становятся заметно нелинейными, они являются основной причиной нелинейных искажений. Причиной нелинейных искажений могут быть и трансформаторы, из-за нелинейности характеристики намагничивания сердечника. В отличие от линейных, нелинейные искажения приводят к изменению формы гармонического сигнала. При гармоническом входном сигнале выходной сигнал не является гармоническим. В нем появляются дополнительные (высшие) гармоники – это характерная особенность нелинейных систем. При усилении гармонического сигнала нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник , (1.14)

где U_1m – амплитуда основной (первой) гармоники;

U_2m и U_3m – амплитуды дополнительных (высших) гармоник.

Внутренние помехи усилителя

На выходе усилителей появляется некоторое напряжение даже тогда, когда отсутствует сигнал на входе. Это напряжение называют напряжением помех Uпом. Причина его – внутренние помехи, обусловленные шумом транзисторов (особенно первых каскадов), фонами и наводками и т.д. Помехи приводят к ограничению чувствительности усилителя, так как для надежного распознавания сигнала напряжение его должно во много раз превышать напряжение помех. Помехи стремятся свести к минимуму.

Амплитудная характеристика

Зависимость амплитуды (действующего значения) выходного сигнала от амплитуды (действующего значения) входного сигнала U_2m=f (U_1m) называют амплитудной характеристикой. При отсутствии искажений и помех это должна быть прямая (пунктир):

U_2m=K U_1m.

Однако реальные характеристики заметно отличаются от прямой. Наличие внутренних помех (Uпом) приводит к тому, что характеристика начинается не из нуля.

КПД усилителя

, где P_~ – полезная мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку;

P_потр – мощность, потребляемая от источника питания.