Спотворення в підсилювачах

При посиленні електричних сигналів можуть виникнути нелінійні, частотні і фазові спотворення.

Нелінійні спотворення представляють собою зміну форми кривої підсилюються коливань, викликане нелінійними властивостями ланцюга, через яку ці коливання проходять.

Основною причиною появи нелінійних спотворень в підсилювачі є нелінійність характеристик підсилювальних елементів, а також характеристик намагнічування трансформаторів або дроселів з сердечниками.

Поява спотворень форми сигналу, викликаних нелінійністю вхідних характеристик транзистора, ілюструється на графіку рис.1. Припустимо, що на вхід підсилювача поданий випробувальний сигнал синусоїдальної форми. Потрапляючи на нелінійний ділянку вхідної характеристики транзистора, цей сигнал викликає зміни вхідного струму, форма якого відрізняється від синусоїдальної. У зв'язку з цим і вихідний струм, а значить, і вихідна напруга змінять свою форму в порівнянні з вхідним сигналом.

Чим більше нелінійність підсилювача, тим сильніше спотворюється їм синусоїдальна напруга, що подається на вхід. Відомо (теорема Фур'є), що будь-яка несинусоїдальний періодична крива може бути представлена сумою гармонійних коливань і вищих гармонік. Таким чином, в результаті нелінійних спотворень на виході підсилювача з'являються вищі гармоніки, тобто абсолютно нові коливання, яких не було на вході.

Ступінь нелінійних спотворень підсилювача зазвичай оцінюють величиною коефіцієнта нелінійних спотворень (коефіцієнта гармонік)

де - сума електричних потужностей, що виділяються на навантаженні гармоніками, що з'явилися в результаті нелінійного підсилення;

- електрична потужність першої гармоніки.

У тих випадках, коли опір навантаження має одну і ту ж величину для всіх гармонійних складових посиленого сигналу, коефіцієнт гармонік визначається за формулою

де -

і т.д. - діючі або амплітудні значення першої, другої, третьої і т.д. гармонік струму на виході;

і т.д. діючі або амплітудні значення гармонік вихідної напруги.

Коефіцієнт гармонік зазвичай виражають у відсотках, тому знайдене за формулами значення

слід помножити на 100. Загальна величина нелінійних спотворень, що виникають на виході підсилювача і створених окремими каскадами цього підсилювача, визначається за наближеною формулою:

де -

нелінійні спотворення вносяться кожним каскадом підсилювача.

Допустима величина коефіцієнта гармонік цілком залежить від призначення підсилювача. В підсилювачах контрольно-вимірювальної апаратури допустиме значення коефіцієнта гармонік

становить десяті частки відсотка.

Частотні називаютсяіскаженія. зумовлені зміною величини коефіцієнта посилення на різних частотах. Причиною частотних спотворень є присутність в схемі реактивних елементів - конденсаторів, котушок індуктивності, междуелектродних ємностей підсилювальних елементів, ємності монтажу і т.д.

Залежність величини реактивного опору від частоти не дозволяє отримати постійний коефіцієнт посилення в широкій смузі частот. Частотні спотворення, що вносяться підсилювачем, оцінюють по його амплітудно-частотній характеристиці. що є залежність коефіцієнта посилення від частоти підсилюється сигналу.

Для прикладу на рис. 2 показана амплітудно-частотна характеристика УНЧ.

Мал. 2. Амплітудно-частотна Рис. 3. Фазочастотная характеристика

характеристика УНЧ. підсилювача.

При побудові амплітудно-частотних характеристик частоту по осі абсцис зручніше відкладати не в лінійному, а в логарифмічному масштабі. Для кожної частоти фактично по осі відкладається величина lgf. а підписується значення частоти.

Ступінь спотворень на окремих частотах виражається коефіцієнтом частотних іскаженійМ, рівним відношенню коефіцієнта підсилення на даній частоті

Зазвичай найбільші частотні спотворення виникають на кордонах діапазону частот f н і f в. Коефіцієнти частотних спотворень в цьому випадку рівні

де К н і К в - відповідно коефіцієнти посилення на нижніх і верхніх частотах діапазону.

Для підсилювачів низької частоти ідеальної частотної характеристикою є горизонтальна пряма лінія (лінія АВ на рис. 2).

де Кн і Кв - відповідно коефіцієнти посилення на нижніх і верхніх частотах діапазону. З визначення коефіцієнта ча-стотние спотворень слід, що якщо М> 1, то частотна характе-ристика в області даної частоти має завал, а якщо М <1, — то подъем. Для усилителя низкой частоты идеальной частотной характеристикой является горизонтальная прямая (линия АВ на рис. 12.5).

Коефіцієнт частотних спотворень многокаскадного підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів частотних спотворень окремих-них каскадів

Отже, частотні спотворення, що виникають в одному каскаді підсилювача, можуть бути компенсовані в іншому, щоб загальний коефіцієнт частотних спотворень не виходив за межі заданого. Коефіцієнт частотних спотворень, так само як і коеф-фициент посилення, зручно висловлювати в децибелах:

У разі многокаскадного підсилювача

Допустима величина частотних спотворень залежить від призначають-чення підсилювача. Для підсилювачів контрольно-вимірювальної ап-паратури, наприклад, допустимі спотворення визначаються тре-буєм точністю вимірювання і можуть становити десяті і навіть соті частки децибели.

Слід мати на увазі, що частотні спотворення в підсилювачі завжди супроводжуються появою зсуву фаз між вхідним і вихідним сигналами, т. Е. Фазовими спотвореннями. При цьому під фазовими спотвореннями зазвичай мають на увазі лише зрушення, з-здавай реактивними елементами підсилювача, а поворот фази самим підсилювальним елементом до уваги не береться.

Фазові спотворення, що вносяться підсилювачем, оцінюються по його фазочастотной характеристиці, що представляє собою графік за-лежно кута зсуву фази φ між вхідним і вихідним напря-жениями підсилювача від частоти рис. 3. Фазові спотворення в підсилювачі відсутні, коли фазовий зсув лінійно залежить від частоти. Ідеальною фазочастотной характеристикою є пряма, що починається на початку координат - пунктирна лінія на рис. 3. Фазочастотная характеристика реального підсилювача має вигляд, показаний на рис. 3. суцільною лінією.

Схожі статті

Попередня ◈ Наступна