3.2.1.5. Переходные искажения

Переходные искажения характеризуют изменения формы сигнала, вноси-мые усилителем в переходном режиме. Они определяются как отклонения ре-альной переходной характеристики усилителя от идеальной. Переходная ха-рактеристика представляет собой зависимость мгновенных значений выход-ного напряжения, тока или соответствующих коэффициентов усиления от вре-мени при подведении ко входу усилителя стандартного сигнала, называемого единичной функцией.

Подведение сигнала стандартной формы необходимо для того, чтобы свойства различных усилителей в переходном режиме рассматривались при одинаковых условиях, что обеспечит сопоставимость полученных результатов. Этот стандартный сигнал должен быть выбран с таким расчётом, чтобы наи-лучшим образом выявить искажения формы сигнала, вносимые усилителем в переходном режиме (переходные искажения). Таким сигналом и является еди-ничная функция 1(t), представляющая собой мгновенный единичный перепад напряжения (или тока) на входе усилителя (рис.1.10, а).

Очевидно, что при совмещении момента перепада с началом координат для всех значений t < 0 1(t) = 0, а для всех значений t > 0 1(t) = 1.

На рис. 1.10, б изображена идеальная переходная характеристика в облас-ти малых времён. Эта характеристика имеет ту же форму мгновенного перепа-да, что и входной сигнал, и отличается от него только увеличенной амплитудой перепада K₀1(t), где K₀ – установившееся значение коэффициента усиления идеального усилителя, а также сдвигом момента перепада на величину фазовой постоянной _Ф в направлении запаздывания. Поскольку форма сигнала на выходе усилителя в рассмотренном идеальном случае остается неизменной, переходные искаженияотсутствуют.

Переходная характеристика реального усилителя отличается от идеаль-ной, так как наличие в схеме усилителя реактивных элементов и соответствен-но внутренних запасов энергии (энергия электрического поля ёмкостей, магнитного поля индуктивностей) приводит к постепенному переходу от преж-него энергетического состояния к новому, вызываемому действием рассматри-ваемого стандартного сигнала. Вследствие этого происходит также постепен-ное изменение переходного коэффициента усиления.

Так как обычно время нарастания переднего фронта t_Ф и время образо-вания спада T_i отличаются очень значительно, то для показа фронта и плоской вершины переходной характеристики приходится использовать два отдельных графика с масштабами времени, отличающимися на несколько порядков. В свя-зи с этим целесообразно разбить переходную характеристику на два участка: участок малых времен или передний фронт переходной характеристики, и участок больших времен или её плоскую часть (вершину).

Реальная переходная характеристика в области малых времен может быть апериодической (рис. 1.11, кривая а) или в случае, если на переходный процесс накладываются резонансные явления, может иметь периодический (колебательный) характер (рис. 1.11, кривая б).

В обоих случаях при t   переходный коэффициент усиления K(t)K₀, где K₀ – установившееся значение коэффициента усиления. Практически K(t) оказывается близким к K₀ уже в конце участка малых времен.

В целях обобщения часто используют нормированную переходную характеристику, представляющую собой зависимость

Здесь обобщённое время, причём является постоянной времени цепи, определяющей форму переходной характеристики.

На рис. 1.12 приведены нормированные переходные характеристики для участка малых времен и для случаев апериодического (кривая а) и колебатель-ного (кривая б) устанавливающегося процесса. Очевидно, что в обоих случаях относительная величина переходного коэффициента усиления y(t) стремится к единице.

Искажения переднего фронта оцениваются длительностью фронта t_Ф (называемой также временем установления). В случае колебательного устанав-ливающегося процесса они характеризуются также относительными величии-нами выбросов Нв₁, Нв₂,… и впадин Нвп₁, Нвп₂,… .

Поскольку полная длительность фронта (соответствующая нарастанию y(t) от 0 до 1) теоретически равна бесконечности, величину t_Ф принято опреде-лять для изменения y(t) в пределах от d до 1– d, где d равно 0,1 или 0,05. Определение длительности фронта показано на рис. 1.12 (t_Фа для апериоди-ческой переходной характеристики а и t_Фб для колебательной переходной ха-рактеристики б).

Там же показаны относительные величины первого (наибольшего) вы-броса Нв₁ = y_max – 1 и первой (наибольшей) впадины Нвп₁ = 1– y_min для характе-ристики б. Величины Нв₁ и Нвп₁ выражают обычно в процентах.

На рис. 1.13 изображена нормированная переходная характеристика для участка больших времён (плоская часть характеристики), построенная для участка времени, имеющего порядок интересующей нас длительности импуль-са T_u = X_u и превышающего представленный на рис. 1.12 передний фронт в сотни и более раз.

Искажения плоской части характеристики измеряют относительными ве-личинами подъёма П = y_max – 1 и спада С = 1 – y_min .

Здесь y_max и y_min – наибольшее и наименьшее значения в пределах плоской части характеристики.

Переходные искажения оказывают влияние на качество воспроизведения звуковых передач. Поэтому для высококачественных усилителей звуковых час-тот, помимо частотных, регламентируют также и переходные искажения. Вели-чина t_Ф для этих усилителей не должна превышать 5…15мкс. Однако наиболее существенное значение переходные искажения имеют для импульсных усили-телей, в том числе для усилителей видеосигналов. Так, при слишком большой длительности фронта t_Ф в телевизионном изображении размываются мелкие де-тали, стираются резкие границы яркости, понижается также чёткость работы импульсных устройств других назначений. Обычно необходимо стремиться, чтобы t_Ф  (0,01…0,1)T_{u min}, где T_{u min} – минимальная длительность усиливае-мого импульса, что по абсолютной величине может составлять десятки или да-же единицы наносекунд.

При больших значениях выбросов и впадин в телевизионном изображе-нии происходит подчёркивание мелких деталей, образуются светлые и тёмные полосы (окантовка) вдоль контуров изображения. Поэтому в видеоусилителях необходимо выдерживать Нв₁  5%.

Переходные искажения так же, как и частотные, определяются при малых уровнях входного сигнала, соответствующих линейной области работы уси-лителя. Причиной переходных искажений в области малых времён для усилии-теля, изображённого на рис. 1.5, является наличие ёмкости С₀, а в области боль-ших времён – ёмкости С_с.