3. Искажения, вносимые усилителем

От электронных усилителей требуется неискаженное усиление сигна­лов. Но по ряду причин в усилителе неизбежно возникают искажения, вследствие чего форма усиленного сигнала в той или иной степени отли­чается от формы сигнала на входе усилителя. Практически искажения не должны превышать допустимую величину. Существует ряд причин, вы­зывающих искажения разных видов.

Искаже́ния сигна́ла — изменение сигнала, вызванное несовпадением идеальных и реальных характеристик системы его обработки и передачи.

Различают линейные и нелинейные искажения. Линейными искаже­ниями называются такие, которые вносит усилитель, работающий в режи­ме малого сигнала, т.е. в линейном режиме. Нелинейные искажения воз­никают при работе усилителя в режиме большого сигнала, когда проявляются нелинейные зависимости между напряжениями и токами в его це­пях.

Линейные искажения в установившемся режиме проявляются в виде частотных искажений. Линейные искажения в устанавливающемся режи­ме проявляются в виде переходных искажений. Для количественной оцен­ки вносимых усилителем искажений используют основные характери­стики усилителя: частотную; переходную; динамическую. Частотная и переходная характеристики используются для оценки линейных искаже­ний, а динамическая - для определения нелинейных искажений.

Существенное значение в отношении неискаженного усиления имеют вносимые усилителем шумы.

3.1. Частотные искажения

Частотные искажения обусловлены частотной зависимостью коэффи­циента передачи усилителя, что приводит к изменению соотношений ам­плитуд и начальных фаз составляющих частотного спектра сигнала на вы­ходе по сравнению с их соотношениями на входе усилителя. В результате форма усиливаемого сигнала искажается.

Причиной образования частотных искажений является наличие в схе­ме усилителя реактивных элементов (емкостей, индуктивностей), приво­дящее к зависимости от частоты напряжений и токов в цепях усилителя.

Частотной характеристикой усилителя называется зависимость его коэффициента передачи от частоты при постоянстве напряжения на входе, т.е. Кu = F() и Ki = F() при Uвх = const. Больший практический ин­терес представляют искажения напряжения, поскольку режим работы элементов нагрузки усилителя определяется обычно напряжением, а не током. Имея это в виду, опустим индексы коэффициента передачи, указы­вающие на его принадлежность к напряжению.

Частотная характеристика строится в прямоугольной системе коорди­нат, по вертикальной оси в линейном масштабе откладывают К в абсо­лютных или логарифмических единицах, а по горизонтальной оси - часто­ту f в герцах или угловую частоту со = 2f в логарифмическом масштабе. Необходимость применения логарифмического масштаба по оси частот вызывается широким частотным диапазоном современных усилителей.

Типичная амплитудно-частотная характеристика усилителя приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

На рис.1.4 К_Н, К_В и К₀ - значения коэффициента усиления на низшей, высшей и средней частотах диапазона (под средней частотой f₀ подразу­мевается частота наибольшего усиления, обычно близкая к f_Нf_В ). Иде­альная АЧХ усилителя, соответствующая отсутствию вносимых усилите­лем искажений, представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс. При отклонении реальной характеристики от идеальной возникают час­тотные искажения. Как видно из рисунка 3.1, в области средних частот (с.ч.) реальная характеристика совпадает с идеальной, что и свидетельст­вует об отсутствии искажений в этой области.

На основании характеристики, изображенной на рис. 3.1, могут быть определены амплитудно-частотные искажения. Количественная оценка этих искажений может производиться посредством коэффициента час­тотных искажений

M=K₀/K

где К - коэффициент усиления на частоте (К_Н или К_В), для которой оп­ределяются искажения. В частных случаях для частот f_H и f_B

M_Н=K₀/K_Н M_В=K₀/K_В

Чаще для оценки частотных искажений, вносимых усилителем, поль­зуются относительным или нормированным усилением у = 1/М. Очевидно, что у = K/K₀ у_н=K_Н/K₀ y_B=K_В/K₀.

Изменение усиления, определяемое коэффициентами М и у, может быть выражено в логарифмических единицах. Эта величина, называемая неравномерностью усиления, находится как

Y = 20 lg y = -20 lg M (дБ).

Очевидно, что для идеальной АЧХ на всех частотах диапазона М = 1,у=1 илиY = 0.

Рассмотрим схему усилительного каскада при включении транзистора с общим эмиттером (ОЭ), рис. 3.2.

Рис. 3.2. Усилительный каскад с ОЭ

Для того, чтобы яснее представлять себе работу каскада ОЭ на разных частотах диапазона, проанализируем схемы замещения этого каскада в области средних, низших и высших частот. Эти схемы представлены на рис. 3.3.

Схема замещения в области низших частот (рис. 3.3. б) приведена без учета влия­ния цепи C_ЭR_Э, так как емкостное сопротивление конденсатора С_Э на всех частотах, вплоть до самой низкой, во много раз больше сопротивления R_Э. В то же время влиянием емкости С_С пренебречь нельзя, так как по мере уменьшения частоты ее емкостное сопротивление X_С =1/С_С увеличивает­ся и падение напряжения на нем также возрастает, что приводит к умень­шению напряжения на нагрузке R_H и спаду частотной характеристики, обусловленному перераспределением напряжений между 1/С_С и R_H. На схеме замещения в области высших частот (рис. 3.3, в) отсутствует ем­кость С_с, так как в этой области частот ее емкостное сопротивление ни­чтожно мало и им можно пренебречь, но параллельно R_H оказывается под­ключенной емкость С₀, включающая в себя емкость коллекторного р-n пе­рехода С_К и емкость монтажа С_М. По мере увеличения частоты ее емкостное сопротивление1/С₀ уменьшается и начинает шунтировать сопротивление нагрузки, в результате общее эквивалентное сопротивление умень­шается, что и приводит к уменьшению напряжения на выходе и спаду АЧХ в области верхних частот.

В области средних частот, как это видно из схемы рис. 3.3, а, отсутст­вуют реактивные элементы, то есть, нет частотно-зависимых сопротивле­ний, чем и обусловлена неизменность усиления на этих частотах.

Рис. 3.3. Схемы замещения усилительного каскада ОЭ:

а) в области средних частот; б) в области низших частот;

в) в области высших частот