3.1.5Нелинейные искажения

Нелинейные искажения – это изменения формы колебания, обусловленные нелинейностью характеристик транзисторов, диодов, магнитопроводов, полупроводниковых конденсаторов микросхем и других элементов. Параметры нелинейных элементов зависят от воздействующего на них тока или напряжения. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержено даже гармоническое (синусоидальное) колебание. На этом и основана их простейшая количественная оценка с помощью коэффициента гармоник. Если на вход усилителя подать чисто гармоническое напряжение, то на выходе получим не только его первую гармонику, но и высшие.

Коэффициентом гармоник называется отношение действующего (эффективного) значения суммы высших гармоник выходного напряжения к действующему значению его первой гармоники:

(1.4)

Здесь U₁, U₂, U₃ и т. д. – действующие значения напряжений отдельных гармоник выходного напряжения. Результат не изменится, если в эту формулу подставить не действующие, а амплитудные значения, причем вместо напряжений можно оперировать токами. Иногда используют коэффициенты отдельных гармоник, например второй: K_Г2=U₂/U₁=I₂/I₁.

В звуковых сигналах нелинейные искажения воспринимаются как хрип или дребезжание. При K_Г < 2…3% они почти не заметны на слух. Однако в высококачественных усилителях звуковых частот обеспечивают коэффициент гармоник K_Г < 0,2%, а в усилителях многоканальной связи – сотые и тысячные доли процента (во избежание взаимных помех каналов).

Во всяком усилителе нелинейные искажения увеличиваются при приближении амплитуды выходного напряжения к максимально возможному значению. Выходное (и входное) напряжение, при котором коэффициент гармоник усилителя равен заданному допустимому значению, называется номинальным. Номинальной называется и соответствующая выходная мощность P_{вых ном}=U²_{вых ном}/R_н.

При усилении сложных сигналов возникают не только гармоники спектральных составляющих, но и их комбинационные частоты. На слух последние более заметны, так как в отличие от гармоник являются вновь возникшими составляющими. Поэтому для высококачественных усилителей звуковых частот измеряют также интермодуляционные искажения, подавая на вход два синусоидальных колебания с сильно различающимися частотами (f₁ и f₂> f₁) и вчетверо различающимися амплитудами, причем амплитуда колебания частоты f₁ берется на 12 дБ, а частоты f₂ - на 24 дБ меньше номинальной (ГОСТ 23849-87). Количественной мерой искажений является отношение суммарного напряжения комбинационных составляющих к напряжению частоты f₂ на выходе усилителя.

3.1.6Коэфициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя характеризует экономичность расходования энергии питания. Обычно он измеряется при усилении гармонического колебания частоты 1 кГц. Общий КПД всего усилителя называется промышленным. Он представляет отношение номинальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой им от всех источников питания: η_Σ=P_н/P_Σ. Разность P_Σ - P_н= P_пот является мощностью потерь в усилителе.

Применяется также КПД выходной цепи усилительного элемента (УЭ), который представляет отношение мощности переменного тока, создаваемой в выходной цепи УЭ (например, транзистора), к мощности питания, потребляемой этой цепью: η = P_~/P_п. Он учитывает потери мощности только в УЭ и применяется для оценки экономичности оконечных каскадов как основных потребителей энергии питания.

Чем выше КПД усилителя, тем меньше мощность потерь в нем, которая превращается в тепло. Например, для предотвращения перегрева оконечных транзисторов их приходится снабжать радиаторами, размеры которых могут быть тем меньше, чем выше КПД. Таким образом, КПД усилителя косвенно характеризует также его удельные размеры и массу (на единицу выходной мощности).

Экономичность питания усилителя оценивают по КПД и по току питания в режиме покоя (при отсутствии сигнала). Последнее оправдано тем, что реальные усиливаемые сигналы обычно имеют паузы (перерывы).