Глава II Линейные искажения

Линейные искажения – это отклонения формы сложного гармонического или импульсного сигнала на выходе усилителя от формы сигнала на его входе, вызванные влиянием реактивных элементов усилителя (емкостных, индуктивных), а также влиянием инерционных свойств УЭ усилителя.

Линейные искажения в отличие от нелинейных не сопровождаются появлением в спектре сигнала новых гармонических составляющих. Методы оценки этих искажений в гармонических и импульсных усилителях различаются.

В гармонических усилителях для оценки линейных искажений применяют метод частотных характеристик, при котором рассматриваются зависимости от частоты комплексных сопротивлений и показателей усилителя.

В импульсных усилителях для оценки линейных искажений применяют метод переходных характеристик, при котором рассматриваются в зависимости от времени переходные процессы установления токов и напряжений в цепях усилителя, связанные с процессами зарядки – разрядки емкостей схемы.

В гармонических усилителях линейные искажения называются амплитудно-частотными (сокращенно, частотными) и фазочастотными (фазовыми). Зависимость от частоты модулей и аргументов коэффициентов усиления и приводит к линейным искажениям.

Искажения формы сложного гармонического сигнала, вызванные изменениями соотношений амплитуд спектральных составляющих сигнала на выходе усилителя по сравнению со спектром сигнала на его входе вследствие неодинакового значения модулей коэффициентов усиления отдельных гармонических составляющих сигнала, называются амплитудно-частотными (частотными) искажениями.

Искажения же формы сложного гармонического сигнала, вызванные неодинаковыми сдвигами во времени отдельных его гармонических составляющих из-за вносимых усилителем фазовых сдвигов в процессе усиления, называются фазочастотными (фазовыми) искажениями.

2.1. Частотные искажения

Частотные искажения определяются при заданном и неизменном входном напряжении сигнала U_ВХ, которое во избежание нелинейных искажений не должно превышать номинального значения U_ВХ.НОМ. (обычно U_ВХ < 0,5U_ВХ.НОМ, что соответствует примерно середине линейного участка амплитудной характеристики усилителя).

На рис. 13 линией с длинными штрихами, параллельной оси абсцисс, показана идeальнaя амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), а сплошной линией — наиболее типичная для усилителей гармонических сигналов реальная АЧХ.

Для удобства анализа реальную АЧХ разбивают на три области частот: средние, нижние и верхние. В области средних рабочих частот peальнaя АЧХ совпадает с идeальнoй, так как коэффициент усиления по напряжению в области средних частот К₀ практически не зависит от частоты вследствие пренебрежимо малoгo влияния реактивных элементов и инерционных свойств УЭ усилителя. В областях же нижних и верхних рабочих частот peальнaя АЧХ отклоняется от идеальной, так как здесь К уменьшается относительно К₀ из-за влияния реактивных составляющих сопротивлений в цепях усилителя и в нагрузке, а также из-за влияния инерционных свойств УЭ. Забегая вперед, отметим, что зaвал АЧХ в области нижних частот вызывается влиянием конденсаторов и трансформаторов связи, если они используются в усилителях, а в области верхних частот - влиянием инерционных свойств УЭ и реактивных составляющих нагрузки.

Рис. 13 АЧХ усилителя переменного тока

Частоты f_Н и f_В (рис.13), на которых К уменьшается до допустимого (заданного) значения относительно К₀, называют соответственно нижней граничной и верхней граничной частотами. Для усилителей звуковых частот (УЗЧ) и широкополосных усилителей средняя частота принимается равной 1 кГц, а для УПТ – равной нулю. Область частот от нижней граничной частоты f_Н до верхней граничной частоты f_В, в пределах которой изменения коэффициента усиления не превышают допустимых значений, называется диапазоном рабочих частот или полосой пропускания усилителя Δf.

В связи с тем что вносимые усилителем частотные искажения определяются неравномерностью его АЧХ в диапазоне рабочих частот, за меру частотных искажений принимают модуль относительного коэффициента усиления Y, представляющий собой отношение модуля коэффициента усиления на рассматриваемой частоте К к коэффициенту усиления на средней частоте К₀:

Y = K/K₀

Такие АЧХ усилителя называются нормированными. Нормированные АЧХ очень удобны для оценки изменения АЧХ усилителя при изменениях К в зависимости от изменений параметров усилителя или для сравнения АЧХ усилителей с различными значениями К₀.

Для оценки частотных искажений усилителя наряду с относительным коэффициентом усиления Y применяют также коэффициент частотных искажений: М = 1/Y = K₀/K

Иногда в лабораторных условиях для ускорения обработки результатов эксперимента АЧХ усилителя строят в виде графика зависимости выходного напряжения U_ВЫХ от частоты при заданном и неизменном входном напряжении U_ВХ < 0,5U_ВХ.НОМ

Меру частотных искажений Y и М часто выражают в децибелах:

Y (дБ) = 20lg Y; M (дБ) = 20 lg М. Очевидно, что: Y(дБ) = - M(дБ).

Для перевода Y (дБ) и M (дБ) в относительные значения пользуются соотношениями: Y = 10 ^Y(дБ)/20; M = 10 ^M(дБ)/20 .

На частотах, где Y= М= 1 (или Y(дБ) = M(дБ) = 0), частотных искажений нет. Чем больше Y или M в относительных значениях отличаются от единицы (или чем больше Y (дБ) и M (дБ) отличаются от нуля), тем больше вносимые усилителем частотные искажения. Очевидно, что при идеальной АЧХ усилителя частотные искажения отсутствуют.

В случае оценки частотных искажений всего (сквозного) усилительного тракта, т. е. усилителя вместе с его входной цепью, во всех рассуждениях вместо входного напряжения U_ВХ и коэффициента усиления по напряжению К следует брать ЭДС источника сигнала е_1и и сквозного коэффициента усиления К_СКВ.

В этом случае на рис.13 вместо К = U_ВЫХ/U_ВХ будет K_СКВ = U_ВЫХ/е_1И,

М = 1/Y = K_{0 СКВ}/K_СКВ

Сквозные АЧХ и показатели К_СКВ, Y_СКВ и М_СКВ характеризуют усилитель с учетом свойств его входной цепи, т. е. сквозной тракт усиления.

В звуковых трактах возникает необходимость получать еще более полную информацию об АЧХ и частотных искажениях – сквозные АЧХ и частотные искажения с учетом влияния не только входной цепи усилителя, но и свойств звуковоспроизводящего устройства (динамика, колонки): при этом они оцениваются не по U_ВЫХ , а по звуковому давлению, создаваемому звуковоспроизводящими устройствами

Диапазон рабочих частот (полоса пропускания) и допустимые частотные искажения усилителя определяются спектральным составом усиливаемых сигналов, т. е. назначением усилителя.

Для лучшего понимания этого необходимо представлять последствия, к которым приводят неточный выбор полосы пропускания усилителя и частотные искажения. В усилителях звуковой частоты (УЗЧ) частотные искажения проявляются в изменении "тембра звучания", при завале АЧХ на высоких частотах ухудшается звучание высокочастотных музыкальных инструментов (скрипки, флейты и т. д.), а при завале АЧХ на нижних частотах ухудшается звучание низкочастотных музыкальных инструментов (контрабаса, барабана и т. д.). В видеоусилителях частотные искажения на высоких частотах ухудшают четкость изображения на экране кинескопа, в усилителях, предназначенных для использования в измерительной аппаратуре (в осциллографах, вольтметрах и т. д.), неравномерность АЧХ приводит к частотным ошибкам и т. д.

Ниже приведены примерные данные по диапазонам рабочих частот и допустимым частотным искажениям усилителей различного назначения.

В усилителях, используемых для усиления сигналов речи в телефонных каналах связи, диапазон рабочих частот самый узкий — от f_н = 300 Гц до f_в = 3,4 кГц при допустимых значениях М па граничных частотах 6 дБ. Это обусловлено необходимостью экономного использования отводимой для связи полосы частот и удешевления оборудования в каналах передачи речевой информации без ущерба для разборчивости речи, которая получается достаточной, потому что, во-первых, сам спектр речевого сигнала неширокий, а, во-вторых, при узкой полосе частот уменьшается уровень помех.

В усилителях, предназначенных для записи, передачи и воспроизведения речи и музыки, диапазон рабочих частот и допустимые частотные искажения зависят от класса качества аппаратуры трактов звукового вещания. В усилителях среднего качества f_н ≈ 70... 100 Гц, f_в ≈ 5...8 кГц при частотных искажениях порядка М < 2...4 дБ, которые почти незаметны на слух. В усилителях высокого качества f_н ≈ 20...50 Гц, f_в ≈ 15...20 кГц при неравномерности АЧХ менее 2 дБ.

В усилителях высшего класса качества может быть 0 <f_н < 20 Гц и 20 <f_в < 200 кГц при М ≤ 0,1...1 дБ (здесь выбор большого значения f_в, превышающего самую высшую частоту звукового спектра f_max = 20 кГц, обусловлен стремлением лучшего воспроизведения быстрых перепадов громкости звучания).

В усилителях, предназначенных для использования в измерительной аппаратуре (осциллографах, вольтметрах и т. д.),f_н ≈ 0...20 Гц, а f_в до 60 МГц при коэффициенте частотных искажений порядка десятых и сотых долей децибела.

В телевизионных усилителях f_н ≈ 50 Гц, f_в ≈ 6 МГц.

В заключение следует отметить, что равномерная АЧХ (см. рис. 8,9), типичная для многих усилителей гармонических сигналов (УЗЧ, усилителей для измерительной аппаратуры, видеоусилителей и т. д.), неприемлема для некоторых других усилителей.

Например, в усилителях воспроизведения магнитной записи АЧХ имеет более сложную форму, чтобы скорректировать частотные искажения различных участков звукового тракта.