1.3.5. Переходная характеристика
Переходной
характеристикой
(ПХ) называют зависимость мгновенного
значения выходного напряжения усилителя
от времени при подаче на вход небольшого
перепада напряжения, не вызывающего
перегрузку усилителя (работа в линейном
режиме). Переходную характеристику,
также как и АЧХ, стоят в относительном
масштабе (рис. 1.6, а), откладывая по
вертикали отношение выходного напряжения
к его значению после установления фронта
.
Рис. 1.6.
Время, в течение которого фронт импульса нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9, называется временем нарастания tнap. Часто в конце фронта импульса наблюдается выброс с последующими затухающими колебаниями (рис. 1.6, а). Относительная величина выброса обозначается и выражается в процентах. Существует критический выброс, величина которого оговаривается ТУ. Спад верхней части ПХ в заданный момент времени обозначается . Эта величина также оговаривается ТУ. Величины и составляют единицы процентов и зависят от организации усилительных каскадов и усилительного устройства в целом.
ПХ используют для оценки качества усилителя во временной области. ПХ однозначно определяет АЧХ и ФЧХ.
1.3.6. Нелинейные искажения
Нелинейными искажениями называют искажения, приводящие к изменению формы колебания за счет нелинейности характеристик транзисторов, диодов, магнитопроводов, полупроводниковых конденсаторов, микросхем и других элементов. Подобные искажения сопровождаются появлением спектральных составляющих сигнала, которые отсутствуют во входном сигнале. Нелинейным искажениям подвержено даже гармоническое (синусоидальное) колебание. На этом факте и основана их количественная оценка с помощью коэффициента гармоник.
Если на вход усилителя подать гармоническое колебание, то на выходе получим не только его первую гармонику, но высшие гармоники. В этом случае коэффициент нелинейных искажений представляется в виде:
.
где U1,U2,U3,...; I1, I2, I3,...; P1,P2,P3,…; - значения напряжений, токов и мощностей отдельных гармоник выходного сигнала.
Коэффициентом гармоник называется отношение действующего (эффективного) значения суммы высших гармоник выходного напряжения к действующему значению его первой гармоники:
.
Иногда используют коэффициенты отдельных гармоник, например:
Kг2=U2/U1=I2/I1.
В звуковых сигналах нелинейные искажения воспринимаются как хрип или дребезжание. При Кг < 2.. .3% они почти незаметны на слух. В высококачественных усилителях Кг < 0,2%, а в усилителях многоканальной связи эти искажения составляют сотые и тысячные доли процента (с целью исключения взаимных помех между каналами).
Во всяком усилителе при приближении амплитуды выходного напряжения к максимальному происходит рост нелинейных искажений. Выходное и входное напряжения называются номинальными, если при них коэффициент гармоник усилителя не превышает заданной величины. Номинальной называется и соответствующая выходная мощность: Рвых.ном=Uвых ном/Rн.
При усилении сложных сигналов возникают не только гармоники спектральных составляющих, но и их комбинационные частоты. На слух они более заметны, так как это вновь возникшие составляющие частот. В связи с этим для высококачественных усилителей производят оценку и измерения интермодуляционных искажений, подавая на вход два синусоидальных колебания с сильно различными частотами (f1 и f2 > f1) и вчетверо различающимися амплитудами (амплитуда f1 на 20 дБ, a f2 на 24 дБ меньше номинальной согласно ГОСТ 23849 - 87). Количественной мерой искажений является отношение суммарного напряжения комбинационных составляющих к напряжению большей частоты на выходе усилителя.
При усилении импульсных сигналов прямоугольной формы нелинейность усилителя не приводит к искажению формы отдельных импульсов, но изменяет соотношение их амплитуд, если они не равны. При усилении пилообразных импульсов их форма искажается. Для оценки степени нелинейности импульсных усилителей используют коэффициент нелинейности Кнел. Он равен относительному изменению крутизны нарастания выходного напряжения усилителя при подаче на его вход линейно нарастающего напряжения максимальной амплитуды, пропускаемой усилителем.