1.9. Нелинейные искажения

Нелинейными искажениями называются искажения формы выходного сигнала, вызванные наличием в схеме усилителя нелинейных элементов.

Усилительные элементы (транзисторы) при работе с сигналами большой амплитуды обладают заметной нелинейностью и обычно являются основной причиной возникновения нелинейных искажений в усилителях. Поскольку входные и выходные характеристики транзисторов являются нелинейными, то при подаче на вход усилителя синусоидального сигнала выходной сигнал будет искажен и его форма может заметно отличаться от синусоидальной. Так как спектр сигнала однозначно связан с формой сигнала, то помимо основной частоты выходной сигнал (искаженная по форме синусоида) содержит кроме основной частоты высшие гармоники: вторую, третью и т. д.

Появление на выходе усилителя частотных составляющих, отсутствующих в спектре входного сигнала, является характерной особенностью нелинейных устройств.

В основу метода определения вносимых усилителем нелинейных искажений положена зависимость изменения спектра синусоидального сигнала от величины вносимых нелинейных искажений. При усилении гармонических колебаний нелинейные искажения принято оценивать коэффициентом гармоник К_г.

Коэффициент гармоник измеряется на выходе усилителя при синусоидальном входном сигнале и определяется выражением

где К_г — коэффициент гармоник;

Р₁ — мощность первой гармоники на выходе усилителя;

Р₂, Р₃, Р₄ — мощности второй, третьей, четвертой и т. д. гармоник на выходе усилителя, созданных нелинейными элементами.

При активной нагрузке усилителя отношение мощностей можно заменить отношением квадратов напряжения (или тока), беря действующие или амплитудные значения этих величин. В этом случае

,

где U₁ — напряжение первой гармоники на выходе усилителя;,

U₂, U₃, U₄, … — напряжения второй, третьей, четвертой и т.д. гармоник на выходе усилителя.

Основной вклад в нелинейные искажения вносит оконечный каскад усилителя.

Допустимый уровень нелинейных искажений определяются назначением усилителя. В высококачественных усилителях речевого и музыкального сигнала допускают коэффициент гармоник порядка (0,1…0,5)%. В усилителях среднего качества — (1…3)%. Усилители систем многоканальной связи, чтобы устранить возможность появления комбинационных частот, должны обладать высокой степенью линейности (К_г  0,01%).

При усилении импульсных сигналов нелинейность усилителя сказывается иначе, чем при усилении гармонических сигналов. В некоторых случаях, например, при усилении прямоугольных импульсов постоянной амплитуды, нелинейность усилителя практически не отражается на форме выходных импульсов и поэтому обычно не ограничивается. При усилении импульсов с наклонным фронтом (пилообразные, треугольные и др.) нелинейность искривляет наклонный фронт импульса.

Некоторые устройства аналоговой обработки сигналов характеризуются, кроме приведенных выше параметров, также специфическими показателями. Например, для операционных усилителей — это входные токи, разбаланс входных токов, входное напряжение смещения нуля, коэффициент ослабления синфазных входных напряжений и др. Эти параметры обычно рассматривают в соответствующих разделах, посвященных изучению этих устройств.