1.4.5. Нелинейные искажения

Особенностью нелинейных искажений является такое искажение фор-

мы сигнала, при котором в его спектре появляются новые частотные со-

ставляющие.

Нелинейность усилителя вызывается наличием в нем нелинейных эле-

ментов (транзисторы, лампы, трансформаторы, диоды). Нелинейный эле-

мент содержит нелинейные параметры (входные сопротивления транзи-

сторов, диодов, динамическая магнитная проницаемость материала сер-

дечника трансформатора).

Нелинейные искажения оцениваются на основе динамической харак-

теристики, представляющей собой зависимость между мгновенными зна-

чениями токов или напряжений на выходе и входе усилителя. Динамиче-

ская характеристика определяется для больших пределов изменения

сигналов, приводящих к заходу в области нелинейных зависимостей ме-

жду напряжениями и токами.

Различают следующие виды динамических характеристик:

1. Выходная динамическая характеристика типа

i2 = F(u2);

2. Входная динамическая характеристика типа

i1 = F(u1);

3. Проходная динамическая характеристика типа

i2 = F(u1);

4. Сквозная динамическая характеристика типа

i2 = F(e1).

Здесь i2 и u2 – мгновенные значения токов и напряжений на выходе, i1

и u1 – мгновенные значения токов и напряжений на входе, e1 – ЭДС ис-

точника сигналов на входе усилителя.

В качестве примера рассмотрим типичную по форме проходную ха-

рактеристику i2 = F(u1), используемую часто для расчета нелинейных ис-

кажений (рис. 1.14, а).

24

а)

i2

i2

р.т.

0

u1

ωt

u1 0

ωt

б)

i2

i2

р.т.

u1

0

u1

ωt

0

ωt

Рис. 1.14. Проходные динамические характеристи-

ки: а) реальная, б) идеальная

Динамическая характеристика, соответствующая отсутствию вноси-

мых усилителем искажений приведена на рис. 1.14, а.

При отклонении динамической характеристики от прямолинейной

возникают нелинейные искажения. Основные нелинейные искажения вно-

сят оконечные и предоконечные каскады, активные усилительные элемен-

ты в которых работают в режиме большого сигнала.

Методы количественной оценки нелинейных искажений

Величина нелинейных искажений может определяться:

25

1) Непосредственно по форме динамической характеристики;

2) по спектру образующихся нелинейных искажений (гармоники, ком-

бинационные частоты).

При оценке нелинейных искажений по первому способу, используе-

мому в телевидении, величина искажений определяется отношением

tgα 2 − tgα1

среднего изменения крутизны динамической характеристики,

2

происходящего при колебаниях напряжения сигнала в пределах от u1 max

до u1 min , к исходному значению крутизны при u1 0, равному tgα0, что соот-

ветствует коэффициенту нелинейных искажений

tgα 2 − tgα1

K н .и . =.(1.12)

2tgα 0

Сказанное поясняется рисунком 1.15.

i2

α3

α0

α1

0

u1 min

u1 0 u1max

u1

Рис. 1.15. Определение нелинейных искажений по

форме динамической характеристики

При оценке нелинейных искажений по второму способу необходимо

предположить, что:

а) входной сигнал представляет собой установившееся гармоническое

колебание определенной частоты;

б) входной сигнал представляет собой установившиеся периодические

колебания сложной формы.

Случаи (а) и (б) существенно отличаются как по характеру образую-

щихся нелинейных искажений, так и в отношении методики их расчета и

измерений.

В случае (а) вследствие нелинейности усилителя, помимо колебаний с

частотой сигнала ω1, на входе образуются колебания гармоник с частота-

ми ω2 = 2ω1; ω3 = 3ω1 и т.д. При этом величина нелинейных искажений

определяется коэффициентом гармоник Кг, представляющим собой отно-

шение суммарного действующего значения напряжения (или тока) гармо-

ник к напряжению (или току) основной частоты.

26

Обычно коэффициент гармоник выражается в процентах таким обра-

зом:

2U 2 + U 3 + U 2 + ...24K гU =⋅100%(1.13)

U1

или

2I 2 + I 3 + I 2 + ...4K гI = 2⋅100%.(1.14)

I1

Очевидно, что значение Кг не изменяется, если вместо действующих

значений напряжений или токов подставить в эти выражения их ампли-

тудные значения. При чисто активном характере сопротивления нагрузки

усилителя коэффициент гармоник, найденный из выражений (1.13) и

(1.14), имеет одно и то же значение, так как напряжения и токи всех гар-

моник связаны между собой неизменной величиной сопротивления. При

комплексном характере сопротивления нагрузки значения Кг, найденные

из указанных выражений, получаются различными, и следует использо-

вать (1.13) или (1.14) в зависимости от того, что является в рассматривае-

мом случае существенным – нелинейные искажения напряжения или тока.

В любом случае коэффициент гармоник может быть выражен через

отношение суммарной мощности гармоник к мощности основной частоты,

т.е.

P2 + P3 + P4 + ...

⋅100%.(1.15)Kг =

P1

Допустимая величина коэффициента гармоник для усилителей звуко-

вой частоты в зависимости от качества соответствующего тракта воспро-

изведения колеблется в пределах от 0,1% до (3…5)%. Особенно жесткие

требования в отношении нелинейных искажений предъявляются к усили-

телям измерительной аппаратуры (Кг порядка сотых и тысячных долей

процента). В телевизионных усилителях нелинейные искажения, приво-

дящие к изменению соотношения яркостей, могут быть значительной ве-

личины (Кг = 10…15%), не оказывая существенного влияния на качество

изображения. То же относится и к импульсным усилителям, использую-

щим к тому же в ряде случаев ограничение сигналов по максимуму.

1.4.6. Помехи и шумы

Помехи и шумы, образующиеся в цепях усилителя, могут значительно

снижать качество его работы, так как они искажают форму сигналов и об-

наруживаются в паузах между сигналами. Искажение формы сигналов

может получиться как за счет непосредственного наложения напряжения

помех и шумов на напряжение сигнала, так и путем модуляции сигнала

шумом в нелинейных цепях усилителя.

27

Различают следующие виды помех и шумов:

1) тепловые шумы (во входных цепях усилителя);

2) шумы усилительных элементов (флуктуационные, дробовые, полу-

проводниковые и др.);

3) шумы контактного и пробойного происхождения;

4) помехи за счет источников питания усилителя (фон);

5) помехи за счет влияния внешних полей;

6) помехи от механических вибраций (микрофонный эффект).

В усилителях с относительно небольшой чувствительностью, имею-

щих минимальное входное напряжение сигнала порядка единиц милли-

вольт, снижение относительной величины помех и шумов до допустимого

значения не представляет труда при надлежащем качестве деталей и мон-

тажа, фильтрации питающих напряжений, экранировании цепей и дета-

лей, а также амортизации деталей и шасси усилителя.

Однако по мере увеличения чувствительности усилителя трудности

обеспечения его необходимой помехозащищенностью растут. Это отно-

сится в особенности к тепловым и флуктуационным шумам. Причем, оче-

видно, что определяющими являются тепловые шумы входных цепей уси-

лителя и шумы первого активного усилительного элемента (транзистора,

лампы), т.е. шумы в звеньях усилителя с наименьшими величинами сиг-

нала. Именно эти шумы, принципиально неустранимые и допускающие

снижение в относительно небольших пределах, ограничивают увеличение

чувствительности усилителей.

Для количественной оценки общей величины шумов усилителя опре-

деляют его относительный уровень шумов

PU

H ш = 20 lg ш = 10 lg шдБ.(1.16)

Pc maxU c max

Здесь Uш и Pш – общие величины напряжения и мощности шумов и

помех, вызываемых всеми действующими и перечисленными выше при-

чинами. Uc max и Pc max – максимальное напряжение и мощность сигнала.

Все перечисленные величины относятся к выходу усилителя.

Для высококачественных усилителей звуковых частот относительный

уровень шумов Нш не должен превышать (-70)дБ. Такого же порядка

должна быть величина Нш и для высококачественного телевизионного или

измерительного усилителя.

Динамический диапазон

Динамический диапазон характеризует предел изменения напряжения

и мощности в рассматриваемой цепи и измеряется как

Pc maxU c max

D = 20 lg= 10 lgдБ.(1.17)

Pc minU c min

28

Относя максимальные и минимальные значения напряжения и мощно-

сти сигнала к их величинам, принимаемым за начальные (например, к

стандартным начальным величинам Рн = 1мВт и Uн = 0,775 эфф.В), полу-

чаем, что

UUPP

D = 20 lg c max − 20 lg c min = 10 lg c max − 10 lg c min = A c max − A c min . (1.18)

UнUнPнPн

Таким образом, динамический диапазон может быть определен как

разность между максимальным Ac max и минимальным Ac min значениями

уровней напряжения или мощности сигнала в рассматриваемой цепи.

Существенное значение в отношении работы усилителя имеет естест-

венный динамический диапазон источника сигналов, т.е. динамический

диапазон изменений напряжения или мощности на входе усилителя. Стро-

го говоря, к усилителю следовало бы предъявить требование неискажен-

ной работы в пределах всего этого диапазона. Однако естественный дина-

мический диапазон сигнала в ряде случаев весьма велик. Так, динамиче-

ский диапазон сигнала при звуковой передаче, определяемый диапазоном

изменения громкостей, составляет для речи до 50 дБ, а для музыки (сим-

фонический оркестр) до 75 дБ. Динамический диапазон сигнала при теле-

визионной передаче, определяемый диапазоном изменения яркостей изо-

бражения, составляет примерно 60 дБ.

Неискаженное усиление в пределах динамического диапазона источ-

ника сигналов ограничивается со стороны высоких уровней передачи

мощностью и нелинейными искажениями, а со стороны низких уровней –

собственными шумами усилителя.

Контрольные вопросы

1. Что называется усилением?

2. Что является отличительной особенностью усилителя?

3. Как классифицируются усилители?

4. Что называется усилительным каскадом?

5. В чем состоит основное отличие каскадов предварительного усиления

от оконечного каскада?

6. Каковы основные энергетические показатели усилителя?

7. Как классифицируются искажения, вносимые усилителем?

8. Что такое частотные искажения и как количественно они оцениваются?

9. Что такое фазовые искажения?

10. Что называется переходной характеристикой усилителя?

11. Что называется динамической характеристикой усилителя?

12. Чем принципиально отличаются нелинейные искажения от линейных?

13. Как количественно оцениваются нелинейные искажения?

14. Что такое динамический диапазон?

29