В процессе усиления устройство не должно изменять формы кривой сигнала. Однако по разным причи­нам форма кривой колебаний на выходе усилителя может отличаться от формы кривой на входе, т.е. усилитель вносит искажения сигнала. При воспроизведении звука эти искажения влияют на его тембр и

час­тоту, в телевизионных устройствах искажается изображение и т.д.

В зависимости от причины появления искажений их делят на линейные (частотны и фазовые, обусловленные реактивными элементами сопротивлениями) и нелинейные.

Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по ампли­тудно-частотной характеристике (АЧХ).

Амплитудно-частотной характеристикой называется зависи­мость модуля коэффициента усиления от частоты. Для простоты её называют частотной характеристику. Она представляет собой графическое изображение зависимости коэффициента усиления от час­тоты входного сигнала. На оси ординат частотной характеристики откладывают значение коэффициента усиления в линейном масштабе, а на оси абсцисс - значение частоты входного сигнала в

логарифмическом масштабе, так как диапазон частот входного сигнала часто оказывается очень широким.

На рисунке 1.5, а прямой линией 1 показана идеальная частотная характеристика усилителя, не вносящего частотных искажений; кри­вой 2 - реальная характеристика усилителя, ослабляющего (срезающего) нижние и верхние частоты заданного диапазона.

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М, который является отношением коэффициента усиления на средних частотах К ср. к коэффициенту усиления на за­данной частоте K f .

M=K cp /K f . (1.18)

Рисунок 1.5 - Амплитудно - частотная характеристики

усилителя (АЧХ)

В усилителях звуковой частоты за среднюю частоту обычно прини­мают 400Гц или 1000 Гц.

Общий коэффициент частотных искажений многокаскадного уси­лителя равен произведению частотных искажений отдельных каскадов:

М общ.= M 1 М 2 М 3 ·... ·М п, (1.19)

Коэффициент частотных искажений может быть выражен также
и в логарифмических единицах:

M [ d Б] = 20·1gM , (1.20)

Для многокаскадного усилителя общий коэффициент частотных искажений в логарифмических единицах

М общ.= М 1 +M 2[ dB ]+....+M n (dВ). (1.21)

Рабочим диапазоном частот, или полосой пропускания, называется область частот от f H до f B в пределах, которой частотные искажения не превышает допустимой величины.

В области средних частот, коэффициент частотных искажений М=1 , на других частотах, на которых усиление меньше, чем на средних, М>1 (спад частотной характеристики). На частотах подъёма частот­ной характеристики М<1.

Допустимая величина частотных искажений определяется назначением усилителя. Так, например, в усилителях звуковых частот высше­го класса М не должен превышать 2 дБ при частотах от 30 Гц до 20 кГц . Если к усилителю не предъявляются какие-либо специальные требования, то рабочий диапазон частот

определяют на уровне 3 дБ ., т.е. границами полосы пропускания являются частоты, на которых коэффициент усиления уменьшается не более чем в √2=l,41 раза.

г- Фазовая характеристика усилителя. Зависимость угла сдвига по фазе между выходным и входным напряжением усилителя от частоты называется фазово-частотные (ФЧХ) или фазовой Фазовые сдвиги в усилителе возникают в результате наличия в нем реактивных элементах (индуктивностей, ёмкостей).

В идеальном усилителе все составляющие независимо от частоты их сдвигаются на одно и то же время. При этом взаимное расположение синусоид различных частот не изменяется. Поэтому и форма выходного сигнала не изменяется. В этом случае фазовая характеристика, выражающая прямую пропорциональную зависимость угла фазового сдви­га φ от частоты f, представляет собой прямую линию 1, как показало на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6- Фазовая характеристика усилителя

В реальном усилителе значение угла сдвига по фазе зависит от частоты. И составляющая сигнала, имеющие разные частоты, оказыва­ются сдвинутыми на разные углы. Это искажает форму сигнала на выходе.

Фазово-частотная характеристика реального усилителя на рисунке 1.6 показана 2. При положительных значениях угла сдвига фазы выходной сигнал опережает входной, при отрицательных - выходной сигнал отстаёт от входного. Искажения формы выходного сигнала, вызываемого различным фазовым сдвигом

различных по частоте составляющих сигнала, назы­ваются фазовыми искажениями.

В усилителях сигналов звуковой частоты фазовые искажения не учитываются, так как на слух они практически не воспринимаются.

д – Переходная характеристика . В усилителях импульс­ных сигналов форма выходного напряжения зависит от переходных процессов установления токов и напряжений в цепях, содержащих реактивные элементы. Для оценки линейных искажений, называемых в импульсных переходными, удобно

пользоваться переходной харак­теристикой.

Переходной характеристикой усилителя называют зависимость

мгновенного значения напряжения или тока на его выходе от време­ни U вых = f(t) при подаче на вход единичного скачкообразного изме­нения напряжения или тока (единичной функции).

Наиболее часто на вход усилителя воздействует импульс прямо­угольной формы конечной длительности, как показано на рисунке 1.7

Рисунок 1.7 - Переходная характеристика усилителя

При подаче на вход усилителя прямоугольного импульса напряжение на выходе будет иметь искаженную форму на рисунке 1.7.

Переходные искажения разделяют на искажения фронта импуль­са и искажения плоской вершины импульса. Искажения фронта характеризуются:

Временем установления t yc . т.е. временем нарастания импульса от 0,1

Um до 0,9U макс;

Выбросом фронта импульса δ, определяемым отношением нап­ряжения

выброса ∆U к напряжению в установившемся режиме U.

Допустимая величина переходных искажений определяется назна­чением усилителя.

е – Нелинейные искажения . Нелинейные искажения вызывают изменения формы кривой сигнала, вызванные нелинейностью характеристик элементов схемы усилителя (транзисторов, ламп, диодов, трансфор­маторов).

При нелинейных характеристик нет прямой пропорциональности между током и напряжениями, вследствие чего при синусоидальном сигнале на входе, выходной сигнал получается несинусоидальным. Чем больше нелинейность используемого участка характеристики, т.е. больше отклонение её от прямой линии, тем сильнее искажается сиг­нал.

Появление нелинейных искажений в усилителях иллюстрируется графиком рисунок 1.8. При подаче синусоидального напряжения на базу транзистора в первый полупериод используется участок характеристики РБ, имею­щий большую

крутизну; поэтому кривая тока имеет большую амплиту­ду. Во второй полупериод используется участок РА, крутизна которого уменьшается с уменьшением напряжения базы; поэтому кривая входно­го тока получается притупленной.

Получающуюся вследствие нелинейных искажений несинусоидаль­ную кривую выходного сигнала можно разложить гармонические сос­тавляющие, или иначе, гармоники.

Рисунок 1.8 - Искажения формы выходного сигнала

Общий уровень нелинейных искажений количественно оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом

гармоник): _____

Кг= (V U 2 m2 +U 2 m3 +U 2 m4) / U m1 , (1.22)

где - U m1 ,U m2 ,иU m3 -амплитуды 1-й,2-й,3-й и т.д. гармоник выходного сигнала.

Практически имеют значение только вторая и третья гармоники, так они имеют наибольшую амплитуду сигнала, остальные гармоники имеют небольшие по величине амплитуды.

Ещё один вид нелинейных искажений обусловлен появлением в вы­ходном сигнале комбинационных частот, т.е. частот, получающихся как сумма или разность между любыми (в т.ч. и первыми) гармоника­ми различных сигналов, присутствующих на входе усилителя. Такие искажения принято называть интермодуляционными искажениями. На практике имею значения интермодуляционные искажения второго и третьего порядков (если f 1 и f 2 - частоты, присутствующие на входе, то интермодуляционные искажения второго

порядка обусловлены нали­чием на выходе усилителя сигналов с частотами f 1 ± f 2 , а интермодуля­ционные искажения третьего порядка- с частотами 2f 1 ±f 2 и 2f 2 ±f 1).

Коэффициентом интермодуляции называется отношение мощности интермодуляционных составляющих на выходе усилителя к минимально возможной выходной мощности полезного сигнала, превыша­ющий уровень собственных шумов усилителя.

Нелинейный искажения на слух практически незаметны, если коэффициент гармоник не превышает 0,2... 0,3%.

В усилителях многоканальной связи линейность должна быть высокой, чтобы гармоники и комбинационные частоты не попадали из одного канала в другой, т.е. чтобы не было перекрёстных искажений. В таких усилителях нелинейность оценивается затуханием а или же, затуханием нелинейности второй а 2 или а 3 гармоник:

a =20lgU m1 /(VU 2 m2 +U 2 m3); a 2 =20·1gU m1 /U m2 , a 3 = 20·1gU m1 /U m3 . (1.23)

ж- Коэффициент шума . Помехами называют посторонние, не связанные с сигналом и не зависящие от него напряжения на выходе включенного усилителя Помехи возникают в цепях усилителя по раз­ным причинам. Обычно их делят на тепловые шумы резисторов и про­водников, шумы усилительных элементов, шумы микрофонного эффек­та, фон переменного тока от источника электропитания и наводки от посторонних источников.

Тепловой шум активных сопротивлений создается хаотическим тепловым движением свободных электронов, которые можно рассматривать как ток, беспорядочно изменяющийся по величине и направле­нию при отсутствии внешнего напряжения.

Шумы усилительных элементов создаются из-за неравномерной
эмиссии или инжекции носителей заряда, неравномерного распределе­ния тока между электродами, теплового шума и других причин, зависящих от свойств и физических процессов при работе усилительного
элемента.

Шумы микрофонного эффекта возникают при механических воздействиях на элементы усилителя вибраций, звуковых волн, толчков, которые приводят к изменению расстояний между соединительными проводами во входных цепях или между электродами лампы и вызыва­ют изменения тока и появление на выходе напряжения шума. Транзисторы и печатный монтаж практически не обладают микрофонным эф­фектом; ему подвержены соединительные шланги, входные трансфор­маторы с пермаллоевым сердечником и монтаж, выполненный проводни­ками.

Помехи в виде фона переменного тока представляют собой колеба­ния с частотой, кратной частоте питающей сети (50, 100, 150Гц), и прослушиваются в громкоговорителе как гудение.

Наводками называют помехи, возникающие из-за наведения напряжения в цепях усилителя за счёт влияния внешних электрических и магнитных полей, токов утечки, гальванических связей.

Количественной оценкой шумовых свойств усилителя является коэффициент шума. Поэтому коэффициент шума определяется по формуле

К ш =1+Р ш.собст./(Р ш.вх.·К р), (1.24)

где- Р ш.собст. - собственная мощность шумов (мощ­ность добавляемых в сигнал

шумов);
Р ш.вх.- мощность шумов на входе усилителя;
К р - коэффициент усиления по мощности.

Коэффициент шума всегда больше единицы. Для нормального усиления напряжения сигнала должно превышать напряжение шума в 2..3 раза. Коэффициент К ш не определяет однозначно абсолютный уровень шумов на

выходе. Поэтому для оценки усилителей высокого класса важным параметром является отношение сигнал / шум, пред­ставляющее собой отношение выходного напряжения сигнала (при номинальной выходной мощности усилителя Р н.ном.) к суммарно­му напряжению шумов на выходе. В усилителях высокого класса отношение сигнал/шум составляет 60... 100 дБ (1000 и более раз).

з – Амплитудная характеристика усилителя представляет собой зависимость установившегося значения выходного напряже­ния сигнал от входа. Так как коэффициент усиления идеального уси­лителя, постоянная величина, не зависящая от величины входного сиг­нала, то его амплитудная характеристика - прямая, проходящая через начало координат, под углом, определяемым коэффициентом усиления усилителя (пунктирная линия на рисунке 1.9).

Амплитудная характеристика реального усилителя не проходит через начало координат, а изгибается при малых входных напряжениях, пересекая вертикальную ось в точке U п, так как в отсутствие входно­го сигнала выходное напряжение усилителя равно напряжению собственных шумов в его выходной цепи U п.

Рисунок 1.9 - Амплитудная характеристика усилителя

При слишком больших входных напряжений реальная амплитудная характеристика также расходится с идеальной, искривляясь из-за перегрузки усилительных элементов, содержащихся в схеме уси­лителя. Из рисунка 1.9 видно, что реальный усилитель может усили­вать подводимые к его входу сигналы с напряжением не ниже U вх.мин., так как более слабые сигналы будут заглушаться напряжени­ем собственных шумов усилителя U п и не выше U вх.макс., иначе усилитель будет вносить большие нелинейные искажения.

Отношение U в x .макс / U в x .мин. характеризуется диапазон напряжений сигнала, усиливаемых данных усилителем без чрезмерных помех и искажений, и называется динамическим диапазоном усилителя D y с.

D ус. = 20lg(U вх.макс./U вх.мин.). (1.25)

Для того чтобы при усиления минимального и максимального сигна­лов не возникло чрезмерных искажений, динамический диапазон уси­лителя должен быть не меньше динамического диапазона сигнала. В тех случаях, когда это условие выполнить не удается, диапазон сигнала сжимают с помощью ручной или автоматической регулировки усиления. Динамический диапазон магнитной фонограммы 40-50 дБ, студийных микрофонов и магнитофонов высокого качества - 60 дБ.

Линейные искажения не нарушают амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале. При наличии в усилителе линейных искажений сигнала, амплитудная характеристика не претерпевает никаких искажений. Тем не менее, линейные искажения, разумеется, искажают усиливаемый сигнал. Эти искажения связаны с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики усилителя и нелинейности его фазо-частотной характеристики. В связи с этим, линейные искажения часто называют частотными. Главным признаком линейных искажений является то, что они не вызывают появления в спектре выходного сигнала новых составляющих. В результате влияния линейных искажений, могут лишь изменяться уровни его отдельных спектральных (частотных) составляющих.

Поскольку линейные искажения обычно вызывают нарушения амплитудно-частотной характеристики - как правило, их величина определяется именно способом исследования этой характеристики усилителя. Тем не менее, как уже было сказано выше, линейные искажения могут вызываться и нарушением линейности фазо-частотной характеристики усилителя, что проявляется в неодинаковости времени распространения различных частотных составляющих усиливаемого сигнала. Громкоговоритель с системой разделения спектра звукового сигнала и аналоговые магнитофоны хорошо демонстрируют это явление.

Нелинейные искажения – изменения формы колебания, обусловленные нелинейным ходом сквозной передаточной характеристики. Степень проявления этих искажений в первую очередь зависит от уровня сигнала, при этом искажения, как правило, тем больше, чем больше этот уровень. Главным отличием нелинейных искажений от линейных (частотно-переходных и фазочастотных) является то, что возникновение нелинейных искажений сопровождается появлением в спектре выходного сигнала новых дополнительных составляющих.

Одной из важнейших хар-к звукотехнических трактов являются данные о предельном значении выходного сигнальной мощности, при котором нелинейные искажения не превышают допустимого уровня.

Искажения амплитудной характеристики усилителя приводят к существенным искажениям амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале и могут вызывать значительные изменения его формы. В отличие от линейных искажений, нелинейные искажения всегда приводят к появлению в выходном сигнале дополнительных спектральных (частотных) составляющих, отсутствующих во входном сигнале. Если линейные искажения изменяют основном окраску звука, то проявление нелинейных искажений еще более пагубно, поскольку они приводят к существенным изменениям усиливаемого сигнала. Пример умышленного использования нелинейных искажений – устройства обработки сигнала distortion, overdrive, fuzz.

3.Методы измерений линейных искажений в АС: АЧХ, ФЧХ. Основные параметры(эффективно воспроизводимый диапазон частот, характеристическая чувствительность,неравномерность и др.)

При передаче сигналов через все звенья звукозаписывающих и звукопередающих трактов (в том числе и через громкоговорители) в них вносятся различные виды искажений, обусловленные особенностями электромеханических, механоакустических и других процессов преобразования сигналов.

Эти искажения можно разделить на линейные и нелинейные.

Линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между отдельными спектральными составляющими сигнала, и за счет этого могут менять его временнУю форму, но они не вносят новых спектральных составляющих и не зависят от уровня входного сигнала.

Нелинейные искажения характеризуются появлением в спектре выходного сигнала новых спектральных составляющих, которые изменяют временнУю структуру сигнала в зависимости от его уровня.

Во всех громкоговорителях происходят как линейные, так и нелинейные искажения музыкальных и речевых сигналов.

Т.к. линейные искажения изменяют амплитудные и фазовые соотношения между отдельными спектральными составляющими сигнала, то для определения величины линейных искажения используют понятия АЧХ (Амплитудно-частотная характеристика) и ФЧХ (Фазо-частотная характеристика).

Фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) называется зависимость от частоты разности фаз входного и выходного сигналов.

ФЧХ показывает, как с изменением частоты от нуля до бесконечности изменяется сдвиг фаз между входным и выходным гармоническими сигналами.

Один из методов определения фазо-частотных характеристик - экспериментальный:

1. На вход системы подаётся гармонический синусоидальный сигнал, частота (омега итое) которого изменяется в заданном диапазоне;

2. Измеряется для каждой частоты сдвиг фаз (фи итое) между входным и выходным сигналами

3. Изменяя частоту от нуля до наибольшего значения, строят график :

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость уровня звукового давления от частоты. Обычно измерения АЧХ производятся в специальных заглушенных камерах, обработка поверхностей которых позволяет значительно уменьшить влияние отражений. В качестве измерительного используется синусоидальный или шумовой сигнал. Однако в настоящее время широко используются цифровые методы измерения в незаглушенных помещениях на импульсных сигналах, позволяющих получить трехмерный спектр (если вдруг спросят (а так лучше не упоминать) : спектр (по научному он называется «амплитудный спектр», потому что есть еще «фазовый спектр») – это совокупность собственных частот и амплитуд колебаний, которые возбуждаются в данном теле при воздействии на него внешней силы);

- эффективно воспроизводимый диапазон частот - диапазон, в пределах которого уровень звукового давления снижается на некоторую заданную величину по отношению к уровню среднего звукового давления, усредненному в некотором диапазоне частот (в лучших моделях контрольных агрегатов он достигает 20...20000 Гц при спаде 3 дБ на низких и высоких частотах);

- характеристическая чувствительность - отношение среднего звукового давления, развиваемого головкой громкоговорителя в заданном диапазоне частот (обычно 100...8000 Гц) на рабочей оси на расстоянии 1 м при подводимой электрической мощности 1 Вт (в зависимости от области применения находится в следующих пределах: головки громкоговорителя для бытовых акустических систем - 86...89 дБ/Вт/м, для студийных агрегатов - 92...94 дБ/Вт/м, для концертно-театральной аппаратуры - 98...102 дБ/Вт/м).

- неравномерность АЧХ - разница между максимальным значением уровня звукового давления и минимальным, или между максимальным и средним внутри эффективно воспроизводимого диапазона частот (в современных акустических системах эта величина составляет +/-1 дБ);

Cтраница 1

Нелинейные искажения усилителя определяются в основном искажениями, вносимыми оконечным каскадом, так как он работает при наибольшей амплитуде сигнала. Поэтому заданные нелинейные искажения между каскадами не распределяют, считая, что все искажения вносит оконечный усилитель.  

Нелинейные искажения усилителя, как было показано выше, сильно зависят от подводимой на вход амплитуды сигнала. На рис. 1.24 показан примерный характер зависимости коэффициента нелинейности от мощности на выходе усилителя. Эта кривая является основной характеристикой нелинейных искажений. Она может служить для определения максимальной полезной мощности усилителя по заданному коэффициенту нелинейности.  

Нелинейные искажения усилителя на резисторах при правильно выбранном режиме настолько малы, что при расчете их не учитывают.  

Динамические (нагрузочные характеристики транзистора. а - выходная. б - входная.

Нелинейные искажения усилителя принято оценивать, используя сквозную ДХ оконечного каскада. На графике семейства статических выходных ВАХ проводится нагрузочная прямая для переменного тока.  

Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценивают величиной коэффициента нелинейных искажений, представляющего собой корень квадратный из отношения суммы высших гармонических составляющих мощности (токов, напряжений) к первой гармонической соста. Допустимое значение коэффициента нелинейных искажений зависит от назначения усилителя, для усилителей радиоустройств и телефонии его значение от 4 до 15 %, для усилителей устройств автоматики и телемеханики - значительно больше.  

Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценива - ют величиной коэффициента нелинейных искажений, представляющего собой корень квадратный из отношения суммы высших гармонических составляющих мощности (токов, напряжений) к первой гармонической составляющей усиленного сигнала. Допустимая величина коэффициента нелинейных искажений зависит от назначения усилителя; для усилителей радиоустройств и телефонии его значение от 4 до 15 %, для усилителей устройств автоматики и телемеханики - значительно больше.  

Уровень нелинейных искажений усилителя записи измеряется на частоте 400 гц при помощи измерителя фильтрового типа при номинальном положении регулятора усиления. Для объективной оценки нелинейных искажений должна учитываться неравномерность частотной характеристики усилителя на измеряемой частоте.  

Для измерения коэффициента нелинейных искажений усилителей звуковых частот пользуются специальными измерителями нелинейных искажений. Вначале таким прибором измеряют общую величину исследуемого колебания. Затем в приборе включают фильтр, который полностью подавляет первую гармонику исследуемого колебания. При этом прибор измеряет суммарную величину напряжения одних только высших гармоник. По двум полученным результатам измерений находят коэффициент нелинейных искажений. Практически это производится самим прибором: вначале регулируют усилитель измерителя таким образом, чтобы стрелка индикатора отклонилась до специальной метки на шкале.  

Предназначен для измерения коэффициента нелинейных искажений усилителей и генераторов низкой частоты, а также радиопередающих устройств. Измерение может производиться на частотах 50, 100, 400, 1000, 5000 и 7000 гц. Питание осуществляется от сети переменного тока.  

Предназначен для (Измерения коэффициента нелинейных искажений усилителей и генераторов низкой частоты, а также радиопередающих устройств. Измерение может производиться на частотах 50, 100, 400, 1000, 5000 и 7000 гц. Питание осуществляется от сети переменного тока.  

При больших амплитудах входного сигнала появляются нелинейные искажения усилителя, приводящие к возникновению высших гармоник в выходном напряжении. Последние, проходя по цепи обратной связи Z. Вследствие этого сужается полоса пропускания усилителя.  

Тг, что позволяет снизить коэффициент нелинейных искажений усилителя НЧ. Для коррекции частотной характеристики усилителя НЧ в области верхних звуковых частот применен конденсатор Сзз.  

Искажения в усилителях

Идеальный линейный усилитель должен обеспечивать усиление входного сигнала без усиления входной формы. В реальных усилителях, между формой выходного и входного сигнала, всегда имеются отличия. Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы сигнала на входе называется искажением. Их классификация приведена на рис. 8. .

Нелинейное искажение связаны с нелинейностной ВАХ активных элементов. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений (КНИ). ,

где U 2m1 – амплитуда первой гармоники выходного напряжения, U 2m2 … амплитуда второй и других высших гармоник выходного напряжения

Линейные искажения возникают за счёт зависимости частотной характеристики коэффициента усиления от частоты. Частотные искажения возникают из-за непостоянства коэффициента усиления. Идеального неискажающий усилитель должен иметь постоянный коэффициент усиления. В таком усилителе искажения нет. Считаем, что на вход воздействует сигнал, состоящий из двух составляющих ω 0 и 2ω 0 . Из-за непостоянного коэффициента усиления, составляющее входной сигнал с частотой 2ω 0 . будет усиленно в меньшее число раз, чем составляющая ω 0 . А следовательно сумма этих сигналов будет отличаться от формы от формы суммы сигналов на входе. Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений, под которым понимают неравномерность коэффициента усиления

ВОПРОС №2

Качество работы усилителя, в основном, определяется степенью искажения сигналов, вносимых усилителем. Под искажениями усиленного сигнала следует понимать изменение формы выходного сигнала по сравнению с формой входного сигнала усилителя.

Любой усилитель в той или иной степени искажает сигнал. В зависимости от причин, изменяющих форму выходного сигнала, различаются следующие виды искажений:

– частотные,

– фазовые,

– переходные,

– нелинейные.

Частотные искажения

Определение. Искажения, проявляющиеся в изменении соотношения амплитуд спектральных составляющих сигнала, называются частотными искажениями.

Другими словами, отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются не одинаково. Это происходит за счет наличия в усилителе реактивных элементов: емкостей и индуктивностей.

Частотные искажения относятся к искажениям линейного характера, так как они не зависят от нелинейных свойств элементов схемы, например, от нелинейности характеристик ламп и транзисторов.

Количественная оценка частотных искажений характеризуется коэффициентом частотных искажений М , который равен отношению коэффициента усиления по напряжению на средних частотах К СР к его значению данной частоте

Как правило, на крайних частотах коэффициент усиления уменьшается, следовательно, М >1. На средних частотах М = 1. Исследования показали, что человеческое ухо не ощущает искажений, если их величина не превышает 30−40%, то есть М = 1,3–1,4. Для многокаскадных усилителей коэффициент частотных искажений определяется выражением

Мобщ = М 1 ∙ М 2 ∙ ... ∙ М n ,

гдеn–количество каскадов;

М 1 , М 2 … –коэффициент частотных искажений первого, второго и т.д. каскадов.

Коэффициент частотных искажений может быть определен и в логарифмических единицах (децибелах)

М [дБ] = 20 1gM.

Тогда для многокаскадного усилителя

М ОБЩ [дБ] = М 1 + М 2 + . . .+ М n .

Более полное представление о частотных свойствах усилителя при гармоническом входном сигнале можно получить по амплитудно-частотной характеристике усилителя (АЧХ) (рис.2.5).

Амплитудно-частотной характеристикой электронного усилителя называется зависимость коэффициента усиления напряжения (тока) усилителя от частоты гармонического входного сигнала.

Иногда АХЧ называется частотной характеристикой. Идеальной АЧХ является прямая линия параллельная оси частот (рис.2.5а), а реальная АЧХ (рис.2.5б) имеет «завалы» в областях нижних и верхних частот.

АЧХ может быть представлена и в системе координат, где по вертикальной оси отложен коэффициент усиления в относительных единицах

или в логарифмических единицах Y = –20 1gM [дБ] , а по горизонтальной оси – частота.

К а

К Н К СР К В

Область Область Область

нижних средних верхних

частот частот частот

Рис.2.5. Амплитудно-частотная характеристика усилителя:

а) идеальная; б) реальная

Фазовые искажения

Определение. Искажения, вызванные нарушением фазовых соотношений между отдельными спектральными составляющими сигнала при передаче по какой-либо цепи, называются фазовыми.

Эти искажения тесно связаны с частотными искажениями, так как причина их появления общая – наличие в схеме усилителя реактивных элементов. Фазовые искажения, как и частотные, не зависят от нелинейности характеристик усилительных элементов и поэтому являются линейными.

Человеческий слух практически не реагирует на фазовые искажения и поэтому при проектировании усилителей звуковой частоты эти искажения не учитываются.

При определении фазовых искажений учитываются только фазовые сдвиги, создаваемые реактивными элементами схемы (рис.2.6), и не учитываются повороты фазы, вызываемые УЭ. При прохождении через УЭ происходит запаздывание отдельных составляющих на одинаковое время Δt (рис.2.7). Фазовые свойства усилителя характеризуются его фазочастотной характеристикой. ФЧХ показывает зависимость разности фаз входного и выходного гармонических сигналов (φ) усилителя от частоты (f).

Определение. Фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) электронного усилителя называется зависимость аргумента передаточной функции усилителя от частоты гармоничного входного сигнала.

Идеальная фазочастотная характеристика (когда отсутствуют фазовые искажения) имеет вид прямой линии (рис.2.8а). Такая характеристика выражает пропорциональную зависимость угла сдвига фазы от изменения частоты. Реальная ФЧХ представлена на рисунке 2.8б. При оценке фазовых частот берутся не абсолютные значения фазовых сдвигов, а величина отклонения Δφ 0 реальной характеристики от идеальной.

Фазочастотную характеристику усилителя можно построить, используя соотношение, связывающее между собой частотные и фазовые искажения

U ВХ 1-я гармоника U ВХ 1-я гармоника

2-я гармоника 2-я гармоника

U ВЫХ 1-я гармоника U ВЫХ 1-я гармоника

2-я гармоника 2-я гармоника

Рис. 2.6. Фазовые сдвиги Рис.2.7. Поворот фазы сигнала

отдельных гармоник сигнала усилительным элементом

Δφ Н f Н f В f

Рис.2.8. Фазочастотная характеристика:

а) идеальная; б) реальная

Величина фазовых искажений и требования, предъявляемые к фазочастотной характеристике, зависят от назначения усилителя. При этом для получения необходимой формы характеристики используются специальные корректирующие цепи.

В многокаскадном усилителе фазовый сдвиг равен сумме фазовых сдвигов отдельных каскадов

φ общ = φ 1 + φ 2 + … + φ n .

Переходные искажения

Определение. Искажения выходного импульса по сравнению с входным прямоугольным импульсом называются переходными искажениями.

Переходные искажения создаются за счет присутствия в схеме усилителя реактивных элементов (индуктивностей, емкостей). Эти искажения также относятся к линейным, так как не зависят от нелинейных элементов схемы.

Основной характеристикой импульсного сигнала является его форма. На рисунке 2.9а показан входной прямоугольный импульс, а на рисунке 2.9б выходной искаженный импульс.

U ВХ t И

Рис.2.9. Искажения прямоугольного импульса при усилении

а) входной прямоугольный импульс; б) выходной искаженный импульс

Для оценки искажений прямоугольного импульса используются следующие величины:

tф – длительность фронта,

ΔU C – спад вершины,

t C – длительность спада,

ΔU B – выброс фронта.

Принято считать, что импульс имеет «активную» длительность, которая отсчитывается на некотором определенном уровне, обычно на уровне 0,1U m . Длительность фронта tф равна промежутку времени между моментами, когда напряжение или ток с уровня 0,1U m достигнет уровня 0,9U m .

Длительность импульса t И определяется на уровне 0,1U m (0,1І m ) или на уровне 0,5 U m (0,5І m) . Длительность спада, а также фронта, не должны превышать 0,1–0,3 длительности импульса t И. Величина спада вершины импульса определяется выражением

. (2.20)

При этом величина Δс не должна превышать 3–5%.

Величина выброса фронта определяется выражением

. (2.21)

Эта величина также не должна превышать 3–5%.

Если усилитель многокаскадный, то вышеуказанные параметры прямоугольного импульса будут находиться так:

; (2.22)

, (2.24)

где n – количество каскадов усилителя.

Нелинейные искажения

Определение. Нелинейными искажениями называются искажения, проявляющиеся в появлении в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих в спектре входного сигнала.

Нелинейные искажения вызываются нелинейностью характеристик УЭ (ламп, транзисторов), а также нелинейностью намагничивания сердечников трансформатора усилителя.

Появление нелинейных искажений происходит следующим образом. На вход подан гармонический сигнал (рис.2.10а). На выходе усилителя за счет нелинейных искажений получается искаженный сигнал. На рисунке 2.10б он обозначен как «результат». Искаженный выходной сигнал, как и любой не гармонический сигнал, может быть представлен суммой гармонических сигналов с частотами f и 2f.

Таким образом, на выходе усилителя в сигнале появляются дополнительные частотные составляющие, отсутствующие на входе. При этом, чем больше нелинейности характеристик УЭ, тем больше искажается выходной сигнал, тем больше частотных составляющих появляются в его спектре.

Нелинейные искажения оцениваются с помощью коэффициента гармоник, который равен отношению среднеквадратического напряжения суммы гармоник сигнала, кроме первой, к эффективному значению напряжения первой гармоники, при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала

, (2.25)

где U 1 , U 2 , U 3 …U n – напряжение 1-й, 2-й, 3-й … n-й гармоник выходного сигнала.

Иногда вместо значений напряжения могут использоваться значения тока

, (2.26)

где I 1 , I 2 , I 3 …I n – ток 1-й, 2-й, 3-й … n-й гармоник выходного сигнала.

U ВХ f

Результат

Рис.2.10. Искажение формы сигнала при усилении

Можно найти такой коэффициент второй, третьей и т.д. гармоник

; . (2.27)

В этом случае общий коэффициент гармоник также находится через коэффициент второй, третьей и т.д. гармоник

Общий коэффициент гармоник многокаскадного усилителя КГ ОБЩ определяется через коэффициенты гармоник отдельных каскадов

где К Г1 , К Г2 ,…К Гn – коэффициент гармоник первого, второго и т.д. каскадов усилителя.

Допустимая величины коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя. Так, в усилителях высокого класса К Г не должен превышать 1%, для среднего класса 5–7%.

Выводы по 2-му вопросу:

1. Рассмотренные искажения возникают практически во всех усилителях и задача инженеров сводится к их максимальному снижению.

2. Нелинейные искажения возникают во многих радиоэлектронных устройствах и играют, кроме того, важную роль в генерации сигналов и синтезе частот.

3. Усилители электрических сигналов являются основными функциональными элементами средств связи:

– радиопередающих устройств (РПДУ),

– радиоприемных устройств (РПУ),

– радиостанций,

– устройств обработки сигнала.

4. Усилитель отличается от других электрических цепей способностью увеличивать не только амплитуду напряжения (тока), но и увеличивать мощность сигнала.

5. Усилитель должен иметь в своем составе следующие составные части:

– источник входного сигнала,

– усилительный элемент,

– нагрузку,

– источник питания.

6. Основные параметры усилителя могут изменяться в относительных или логарифмических единицах (децибелах). В случае многокаскадного усилителя относительные единицы перемножаются, а логарифмические складываются.

7. Любой усилитель искажает проходящий через него сигнал. Различаются частотные, фазовые, переходные, нелинейные искажения.

8. Величины допустимых искажений определяются назначением усилителя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная лекция имеет важное значение в подготовке будущего офицера-связиста, инженера. Рассматриваемые в лекции вопросы отражают значимые для специалиста радиосвязи моменты: раскрыта физическая суть основных характеристик и параметров любого усилителя электрических сигналов. Стоит отметить, что указанные параметры характеризуют не только усилители, но и другие электронные устройства, а также и такие средства связи, как радиоприемник, радиопередатчик и др.

Знание основных параметров и характеристик усилителя во многом поможет быстрее и глубже разобраться в принципах построения и функционирования усилителей и других электронных устройств. При этом следует учитывать, что компетенция инженера во многом определяется способностью свободно оперировать техническими терминами.