Под нелинейными искажениями понимают изменение формы выходного сигнала относительно формы входного сигнала. Изменения формы сигнала обусловлены нелинейностью входных и выходных характеристик транзистора. Степень искажения оценивают коэффициентом нелинейных искажений g . Для его определения используют сквозную характеристику каскада , которая представляет собой зависимость выходного тока от входной Э.Д.С., включающую нелинейность входных и выходных характеристик:

Характерный вид сквозной характеристики (5.2) представлен на рис. 5.11. При синусоидальной Э.Д.С. Е Вх ток коллектора изменяется по несинусоидальному закону и характеризуется заостренной верхней и уплощенной нижней полуволнами (см. рис.5.11).

Рисунок 5.11 - Сквозная характеристика каскада

Несинусоидальный ток коллектора, являющийся выходным током I Вых , можно разложить в ряд Фурье:

В спектре выходного тока полезной является только первая гармоника, совпадающая с частотой Е Вх , остальные гармоники представляют нелинейные искажения, так как их нет во входном сигнале. Коэффициенты искажений по гармоникам определяются из выражений:

, , . (5.3)

Для инженерных расчетов достаточной считают погрешность порядка 10%, что позволяет ограничить ряд Фурье при разложении четырьмя гармониками. Тогда общий коэффициент нелинейных искажений определяется в виде:

. (5.4)

При проектировании усилительного каскада задаётся g Общ и требуется обеспечить, чтобы искажения в усилителе не превышали заданные.

Нелинейные искажения определяются следующими основными причинами и факторами:

– заданным значением входного напряжения (или Э.Д.С. Е Вх );

– нелинейностью входных ВАХ транзистора;

– отношением внутреннего сопротивления источника входного сигнала ко входному сопротивлению усилителя ;

– нелинейностью выходных характеристик транзистора;

– схемой включения транзистора.

Рассмотрим приведенные в зависимости коэффициента искажений g Общ от аргумента , для различных схем включения транзистора. Эти зависимости приведены на рис. 5.12.

Рисунок 5.12 - Зависимости g Общ от отношения

(а - для схемы с ОБ, б - для схемы с ОЭ)

Как видно из рис. 5.12, при увеличении отношения , уменьшается коэффициент искажений, что обусловлено линеаризацией входных характеристик транзистора R Вн . Для схемы с ОЭ отношение не должно превышать 1.5, так как дальнейшее его увеличение увеличивает искажения. Для схемы с ОБ такого ограничения нет, однако при >2 искажения уменьшаются незначительно, увеличение этого отношения приводит к уменьшению U Вх относительно Е Вх , поэтому его обычно принимают равным 1¸1.5.

Анализ основных причин искажений позволяет сделать следующие выводы:

– нелинейные искажения существенно растут с увеличением входной Е.Д.С.;

– схема усилителя с ОБ обеспечивает меньшие искажения в сравнении со схемой с ОЭ;

– нелинейность выходных ВАХ транзисторов не существенно влияет на исакажения;

– увеличение соотношения расширяет линейность входных ВАХ транзистора и уменьшает нелинейные искажения.

5.4 Входные динамические характеристики транзисторов.
Сквозная характеристика каскада

Нагрузкой транзистора по постоянному току является сопротивление R К , которое определяет наклон нагрузочной линии по постоянному току. При работе по переменному току транзистор оказывается нагружен на меньшее эквивалентное сопротивление R Экв =R К ½½R Н . Так как R Экв <R К то наклон нагрузочной линии по переменному току более крутой. Положения нагрузочных линий на выходных характеристиках транзистора показаны на рис. 5.13.

Рисунок 5.13 - Нагрузочные линии по переменному и постоянному токам
на выходных ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОБ

Здесь (1) - нагрузочная линия по постоянному току, (2) - определяет угол наклона нагрузочной линии по переменному току. Поскольку транзистор работает в линейном режиме с учетом принципа суперпозиции, нагрузочную линию по переменному току необходимо перенести в точку покоя (линия (2")) (см. рис. 5.13).

Связи между входными и выходными параметрами (I Э с I К, U КБ ) осуществляют по нагрузочной линии 2". В связи с этим нужно строить динамические входные характеристики, которые учитывают изменение выходного напряжения от изменения входного тока. Результаты построения динамической входной характеристики для схемы с ОБ приведены на рис. 5.14. Они осуществлены путём переноса соответствующих точек нагрузочной линии по переменному току, с выходных ВАХ транзистора на входные. Как видно из рис. 5.14 динамическая входная характеристика для схемы с ОБ более линейна, чем статические характеристики, поэтому схема с ОБ обладает минимальными искажениями.

Рисунок 5.14 - Динамическая входная характеристика для схемы с ОБ

Аналогично построим динамическую входную характеристику для схемы с ОЭ (см. рис. 5.15). Из рисунка следует, что динамическая входная характеристика для схемы с ОЭ более нелинейна, чем статические, это означает, что схема с ОЭ имеет большие нелинейные искажения, чем схема с ОБ.

Рассмотрим методику построения сквозной характеристики каскада, учитывающую нелинейность входных и выходных ВАХ. Усилитель может работать с источником Э.Д.С. и источником тока. Для установления связей между входными током и Э.Д.С. с выходным током I К выполним построения, приведенные на рис. 5.16.

В первом квадранте расположены выходные характеристики транзистора с нагрузочной линией по переменному току (2") проходящей через рабочую точку по постоянному току "О". Во втором квадранте строят переходную характеристику (1) каскада, связывающую входной ток (I Э ) с выходным током (I К ) через точки пересечения нагрузочной линии с выходными характеристиками транзистора.

Рисунок 5.15 - Динамическая входная характеристика для схемы с ОЭ
и фрагменты ее построения

Рисунок 5.16 - Оценка нелинейных искажений усилителя при работе
с источником ЭДС и источником тока

Динамическую выходную характеристику строят в третьем квадранте (2). На ней однозначно определяется рабочая точка "О".

Если на вход поступает синусоида от источника тока DI Э (wt) , то нелинейность входной динамической характеристики не влияет на форму выходного тока. При этом имеет место нелинейность переходной (1) характеристики и ток коллектора почти синусоидален.

В случае работы с источником Э.Д.С. DЕ Вх (wt) , получим существенно большие искажения, так как при переходе от DЕ Вх к DI Э сказывается нелинейность входной динамической характеристики, и осциллограмма DI К получается более несинусоидальная. При работе с источником ЭДС (R Вн.Ист ®0 , следовательно, нагрузочная линия на входных ВАХ параллельна оси I Э ), из-за нелинейности динамической входной характеристики происходит искажения формы входного тока, а следовательно резкие искажения выходного тока (см. рис.5.16).

В случае работы с источником тока (R Вн.Ист ®¥) , входной ток не искажается, а следовательно обеспечиваются минимальные искажения выходного тока.

В реальных усилителях имеет место промежуточный вариант (R Вн.Ист ¹0 конечная величина), угол наклона нагрузочной линии на входных ВАХ определяется R Вн . (см. рис. 5.17). При изменении DЕ Вх (wt) нагрузочная линия перемещается параллельно самой себе, обуславливая осциллограмму выходного тока I К . Нелинейные искажения имеют место и по величине находятся между двумя рассмотренными ранее случаями.

В реальных схемах всегда имеет место R Вх ¹0 , т.е. последний рассмотренный вариант. Увязывая Е Вх и I К , получают сквозную характеристику транзисторного каскада, при этом нужно брать абсолютные значения Е Вх и I К . Вид этой характеристики приведен на рис. 5.17 (б).

По заданному входному сигналу относительно точки "О" по методу 5 И ординат (см. раздел 5.5) определяют искажения.

Усилитель - это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагруз­ке. Причем мощность, требующаяся для управления, на­много, как правило, меньше мощности, отдаваемой в на­грузку, а формы входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают.

Все усилители можно классифицировать по следую­щим признакам:

По частоте усиливаемого сигнала

По роду усиливаемого сигнала

По функциональному назначению

Параметры и характеристики: коэффициент передачи или коэффициент усиления, динамическая и амплитудная характеристики, динамический диапазон, предельная чувствительность, амплитудно-частотная характеристика, фазочастотная характеристика, амплитудно-фазовая характеристика, линейные искажения, нелинейные искажения.

2.Линейные искажения в усилителях.

Линейные искажения не нарушают амплитудных соотношений в усиливаемом сигнале. На рис. 4.1а. показаны амплитудные характеристики (то есть зависимости выходного напряжения от входного) идеальных усилителей с различными коэффициентами усиления. 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, линейные искажения могут вызываться и нарушением линейности фазо-частотной характеристики усилителя, что проявляется в неодинаковости времени распространения различных частотных составляющих усиливаемого сигнала. Неплохим способом выявления заметных линейных искажений в усилителе, является подача на его вход импульсов прямоугольной формы и наблюдение формы выходного сигнала при помощи осциллографа. Передний фронт сигнала прямоугольной формы очень чувствителен как к нарушениям равномерности амплитудно-частотной характеристики, так и к нарушениям линейности фазо-частотной характеристики. В случае заметных линейных искажений, форма прямоугольных импульсов на выходе усилителя будет существенно нарушена, что легко видно на экране осциллографа. Такой простой тест в какой-то степени является альтернативой необходимости исследования амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик усилителя.

3.Нелинейные искажения в усилителях.

В отличие от линейных, нелинейные искажения вызывают нарушение линейности амплитудной характеристики усилителя. Примеры нелинейных амплитудных характеристик усилителей показаны на рис. 4.1 б, в, г. 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.

Знаете, очень хочется слушать музыку в хорошем качестве. «Балалайки» с фанерным звуком могут устраивать только в младшем школьном возрасте, хотя медведь ходит по ушам вне зависимости от возрастной категории. Думаю, большинство из тех, кто откроет эту статью, в свое время интересовались колонками и усилителями, не минула чаша сия и меня. К сожалению, я не являюсь профессионалом в этой области, поэтому суждения в статье могут быть не слишком удачными и значительная их часть является лично моими наблюдениями, и потому не стоит рассматривать сказанное здесь как истину в последней инстанции.

Лампы, бескислородная медь и прочее

Любители акустики делятся на две (скорее три) категории – техники и «слухачи». Первые понимают только цифры, вторые цифирные упражнения не приемлют и воспаряют на облаках субъективного мнения… Я ничего не имею против первых и вторых, просто это глупо. У проблем воспроизведения звука есть вполне конкретные технические объяснения, и только неспособность их понять порождает слухи и суеверия. Впрочем, дабы не нервировать ярых представителей второй категории, прошу их сразу закрыть данную статью – она вам только испортит нервы. Грешен, не стоит вмешиваться в божественное провидение.

Для остальных продолжим. Ах да, я пропустил третью категорию. Увы, статей по качественному воспроизведению как не было, так и нет, а пропаганда «лампового звучания» не прекращается, что и приводит к постоянному пополнению специалистов третьей категории. Господа, почаще стряхивайте лапшу с ушей, это давно уже бизнес, на котором «забивают бабки», в терминологии подобных бизнесменов. Принимайте свои решения самостоятельно. И никому не верьте, особенно мне.

Факторы, влияющие на качество звучания

Попробуем разобраться, что оказывает влияние на качество звучания. Точнее, на то, что его портит. В статье пойдет речь об усилителе, поэтому эфемерные факторы учитывать не будем.

Хотите естественного звучания? Есть только один способ - сходите на акустический концерт. Хороший зал, прекрасные исполнители – только это и может сформировать слух. Послышав правильное звучание можно понять, насколько нас дурят с этим «балалайками». Впрочем… а нет, извините, повторюсь – сходите на нормальный концерт. Без этого нельзя научиться понимать звук, мозгу просто не с чем сравнить.

Но певец из меня никакой, поэтому перейдем сразу к технике. Существует множество способов испортить звук и игнорирование любой мелочи приведет к фиаско. Именно потому нельзя просто сесть и спаять нормальный усилитель (даже если это действительно качественное устройство) – проблемы решаются по очереди, и дорога к качественному звуку весьма длинна и извилиста. Попробуем разобраться с основными заблуждениями и атавизмами, с технической точки зрения

Условно, «неприятности» можно разделить на следующие группы:
1. Искажение сигнала в усилителе.
2. Соединение с нагрузкой.
3. Влияние нагрузки.
4. Импеданс усилителя и работа динамика.

В группах есть типы, а они – со своими нюансами, так что разговор будет долгим, располагайтесь поудобнее, начнем.

Искажение сигнала в усилителе

Искажения бывают линейные и нелинейные. Первое – просто изменение частотного спектра сигнала без искажения его формы, то есть банальный подъем или уменьшение некоторых полос частот. Вообще-то, даже изменение спектра меняет форму сигнала, поэтому определение не совсем корректно. Нелинейные искажения – это внесение в сигнал того, чего там не было изначально, расширение его спектра. Про линейные искажения можно не беспокоиться, в усилителе с этим особых проблем нет, а вот нелинейные порождают трудности и отчетливо портят восприятие звуковой картинки.

Виды искажений:
1. Нелинейные искажения.
2. Ограничение уровня.
3. Интермодуляционные.
4. Коммутационные.
5. Динамические.
6. Самовозбуждение.

Нелинейные искажения

Звуковой сигнал проходит через усилитель, увеличивается по амплитуде и искажается. Ничего идеального не бывает, в полезный сигнал обязательно будут внесено то, что в нем не содержалось – шумы, искажения, помехи от блока питания и другие вредные субстанции, мешающие качественному восприятию звука. Однако - пока о частном.

Нелинейные искажения - увеличение спектра исходного сигнала путем добавления гармоник. Если взять чистый синусоидальный сигнал частотой F, то после прохождения усилителя в спектре сигнала, кроме основной гармоники F, будут присутствовать составляющие K*F, где К = 2, 3, 4, 5…

Асимметрия

По виду, гармоники делятся на чётные и нечетные. Первые возникают при асимметрии сигнала. Ходят упорные слухи, что они менее заметны, чем нечетные … вот только руководящие материалы прошлого столетия дают весьма однозначные указания – вначале бороться с четными гармониками, даже в ущерб некоторому росту нечетных. Асимметрия присуща всем элементам схемотехники усилителя, разве что в выходном каскаде это не столь актуально, поэтому проблема четных гармоник существует и по сей день, весьма остро.

В статье будет использоваться симуляция с помощью программы PSPICE , которая доказала достоверность выполняемых расчетов. Бывали случаи, когда расчеты в этой программе давали «странные» результаты и возникало желание свалить на ее внутренние ошибки, но после обнаружения тех же «странных» результатов в спаянной схеме невольно проникаешься доверием и уважением к разработчикам этого симулятора. Так что, простите, но я верю этой программе. Если у вас иное мнение, извините.

Если не оговорено специально, во всех схемах источником будет синусоидальный сигнал 1 КГц, амплитудой 1 вольт (пиковое).

Итак, нелинейные искажения. При появлении асимметрии сигнала появляются четные гармоники.

Схема симуляции:

Асимметрия в схеме достигается установкой диода Шоттки. Контрольная тока «A» получена делителем R3, R4 c приведением уровня сигнала к амплитуде, близкой к исследуемому выходу «B».

На всех графиках этого раздела , зеленый – симулированный сигнал; красный – образцовый, с слегка пониженной амплитудой.

Форма сигнала:

Если в нижней части красная и зеленая линии почти совпадают, то в верхней начинает сказываться влияние диода и искаженный сигнал сильно обгоняет образцовый. То есть, положительная (выше уровня 0 V) и отрицательная полуволны не одинаковы, налицо явные признаки асимметрии.

У спектра образцового сигнала (красного) есть только один пик на частоте 1 кГц, что до симулированной схемы (зеленый), то налицо четкая гребенка с максимумами на частотах 1 кГц, 2 кГц, 3 кГц, 4 кГц…

Остановимся чуть подробнее. Первый пик на 1 кГц примерно такой же, что и для образцового сигнала – основная гармоника в обоих случаях с примерно равной амплитудой. Ну, это видно и визуально, они внешне похожи… если опустить тонкости, которые приводят к большому спектру гармоник. В образцовом сигнале есть только первая гармоника, а в симулированной цепи - с первой по десятую (вообще-то, спектр распространяется дальше 10 кГц), что означает наличие в цепи нелинейного элемента, который порождает большой спектр гармоник. А ведь так и есть, в схеме присутствует полупроводниковый диод.

Возможно, вас смутил способ представления информации в программе. Обычно, когда представляют спектр, то рисуют «столбики» переменной высоты. Программа PSPICE рассчитывает напряжения и токи во всех узлах схемы для всего времени выполнения теста, зачастую с переменной дискретностью по времени. После этого производится преобразование временной последовательности в частотную методом FFT (Быстрое преобразование Фурье). Чем меньше дискретность вычисления точек по времени, тем выше точность перевода во временную область и корректнее анализ. Плата за это – время работы симулятора.

Со момента выхода программы компьютеры стали быстрее, но и аппетиты растут, поэтому симуляцию стоит проводить в два этапа – вначале не особо точно, но быстро, потом дискретность времени нужно уменьшить для получения более адекватных результатов. Для примера, повторим тест для обычной точности (синий график) и с ограничением максимального шага по оси времени (зеленый график):

Оба графика несут один и тот же смысл, но более долгий по времени обсчета (зеленый) график очевидно точнее.

Теперь схема для симметричной и нелинейной цепи:

Для симулирования нелинейной, но строго симметричной цепи, в схеме использованы два диода Шоттки – по одному для положительной и отрицательной полуволн.

Форма сигнала:

Форма напряжения в симулируемой цепи симметрична и почти совпадает с образцовым сигналом.

Посмотрите на предыдущий тест – если там были пики на частотах 1, 2, 3… 10 кГц, то сейчас четные гармоники отсутствуют.

Ограничение уровня

Такой вид нелинейности вызывается нарушением монотонности сигнала. К ним относятся два случая:

• Ступенька.
• Насыщение.

Искажение типа «ступенька» свойственно усилителям класса В (или АВ) – при уменьшении уровня сигнала падает коэффициент передачи и сигнал просто исчезает. Подробнее механизм его возникновения будет рассмотрен во второй половине статьи.

Насыщение – может быть вызвано или ограничением, при очень большом уровне сигнала, либо срабатыванием защиты в усилителе по току или мощности.

Ступенька

Подобный вид искажений свойственен схемам с недостаточным уровнем смещения на базе регулирующего транзистора, поэтому для симуляции можно применить пару кремниевых диодов, вполне подойдут 1N4148.

Форма сигнала:

Обратите внимание, при переходе зеленого графика через 0 вольт, некоторое время прохождение сигнала отсутствует. Если на красном графике (образцовом) идет монотонное смена уровня, то на симулированной цепи напряжение становится равным нулю. Чем меньше уровень сигнала, тем больше проявляется этот тип искажений, вплоть до полного исчезновения полезного сигнала на выходе. Поэтому усилители надо исследовать не только на номинальном уровне сигнала, но и на сильно пониженном. А иначе легко попасть в ловушку подобного типа искажений – при снижении уровня сигнала коэффициент гармоник будет катастрофически расти.

Искажения симметричные, поэтому четные гармоники в спектре отсутствуют.

Насыщение

Ограничение уровня типа «насыщение». Довольно типичный случай, захотели погромче и получили «хрипы». Если схемы контроля обеспечивают «мягкое» ограничение уровня, то вид искажений будет отличаться от усилителей без подобной защиты. Но пока пройдемся по самой проблеме, без влезания в нюансы. Для симуляции подойдет всё та же пара диодов 1N4148, но в ином включении.

Форма сигнала:

Если при малом уровне сигнала оба графика совпадают, то достижение напряжения 0.5 вольт характеризуется остановкой роста зеленого графика, то есть следует ограничение по уровню.

Картина похожа на случай с «ступенькой». При обоих вариантах появляются гармоники, меняется только характер их появления:

• Для «ступеньки» степень искажения сигнала возрастает при уменьшении уровня сигнала.
• У «насыщения» обратная закономерность – при низком или нормальном уровне сигнала схема не вносит искажений и только при большом начинают сказываться негативные явления.

Дефект насыщения присущ всем усилителям и с ним борются или режимом «мягкого ограничения» или дополнительным узлом регулировки усиления, который уменьшает громкость при обнаружении проблем с чрезмерным уровнем сигнала.

Частотные и временные характеристики

Как и в случае пассивных линейных систем, частотные характеристики усилителя определяются комплексным коэффициентом передачи, который может быть представлен в виде отношения комплексных амплитуд выходного и входного сигналов при гармоническом входном сигнале. Так для комплексного коэффициента усиления по напряжению будем иметь:

Зависимость модуля коэффициента усиления || = К(щ) от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) или просто частотной характеристикой усилителя.

Зависимость от частоты фазового сдвига выходного сигнала усилителя относительно его входного сигнала называется фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) или просто фазовой характеристикой усилителя.

Идеальный усилитель имеет равномерную АЧХ во всем диапазоне частот, т.е. его коэффициент усиления

K(щ) = K 0 = const.

Фазовая характеристика такого усилителя не должна зависеть от частоты или, по крайней мере, должна быть линейной функцией частоты, т.е.

На практике в полосе частот, в пределах которой находится спектр усиливаемого сигнала, можно лишь с той или иной точностью приблизиться к идеальным АЧХ и ФЧХ.

Для усилителей, как и для пассивных линейных систем, вводятся понятия нижней граничной частоты щ н, верхней граничной частоты щ в и полосы пропускания. Частоты щ н и щ в определяются как частоты, на которых коэффициент усиления усилителя уменьшается в раз по сравнению с коэффициентом (рис. 3,а). Область частот, лежащая левее средних частот, носит название области низших частот, область, лежащая правее - области высших частот. Полоса пропускания усилителя

Наряду с частотными характеристиками для определения искажений формы сложного колебания применяется переходная характеристика h(t), представляющая собой реакцию усилителя на единичный скачок напряжения (тока) и импульсная характеристика g(t), являющаяся реакцией линейной цепи на дельта-импульс. Эти характеристики однозначно связаны с частотными характеристиками.

Переходная характеристика h(t) наглядно описывает искажения сигнала, возникающие при усилении прямоугольных импульсов. Основными показателями этих искажений считаются: время запаздывания t З, длительность фронта t Ф и время спада t С (рис.4). При повышении верхней граничной частоты щ в уменьшаются искажения в области малых времен (сокращается время t З и t Ф), а при уменьшении нижней граничной частоты щ Н - в области больших времен (уменьшается спад вершины, т.е. возрастает время t С). У усилителей постоянного тока (щ Н = 0) переходная характеристика не обнаруживает спада вершины.

Линейные и нелинейные искажения в усилителях

Качество усилителя определяется степенью искажений, вносимых усилителем при усилении входного сигнала. Под искажениями понимается изменение формы выходного сигнала по отношению к форме входного. Искажения сигнала при прохождении через усилитель, обусловленные зависимостью параметров усилителя от частоты и не зависящие от амплитуды входного сигнала, называются линейными искажениями. В свою очередь, линейные искажения можно разделить на частотные (вызываемые изменением модуля коэффициента усиления усилителя в полосе частот усиливаемого сигнала) и фазовые (обусловленные нелинейностью фазочастотной характеристики усилителя в полосе частот усиливаемого сигнала).

Идеальный усилитель, у которого линейные частотные искажения отсутствуют, имеет равномерную АЧХ во всем диапазоне частот, т.е. его коэффициент усиления

K(щ) = K 0 = const.

Фазовая характеристика усилителя, у которого отсутствуют фазовые линейные искажения, не должна зависеть от частоты или, по крайней мере, должна быть линейной функцией частоты

(ц к (щ) = const(щ)).

В последнем случае все гармонические составляющие входного сигнала получают одинаковую временную задержку, и выходной сигнал лишь сдвигается во времени (запаздывает) относительно входного на величину t З.

Частотные искажения усилителя на частоте щ характеризуются коэффициентом частотных искажений

M = K U0 /K Uщ.

Здесь K Uщ - коэффициент усиления по напряжению на данной частоте щ. С помощью АЧХ можно определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот усилителя.

Поскольку наибольшие частотные искажения имеют место на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений М н и М в соответственно на нижней (щ Н) и верхней (щ В) граничных частотах.

При достаточно низких уровнях входного сигнала усилитель обладает свойствами линейной системы и амплитуда выходного напряжения прямо пропорциональны амплитуде входного напряжения, т.е. коэффициент усиления усилителя не зависит от величины сигнала. В связи с наличием нелинейных свойств у всех усилительных приборов при увеличении входного сигнала линейная зависимость величины выходного сигнала от величины входного сигнала нарушается. При этом коэффициент усиления начинает зависеть от величины усиливаемого сигнала, возникают нелинейные искажения, в спектре выходного сигнала появляются частотные составляющие, отсутствующие в спектре входного сигнала.

Зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжения от амплитуды первой гармоники входного напряжения при синусоидальной форме входного сигнала называется амплитудной характеристикой (рис. 5). Нелинейные искажения появляются при превышении амплитудой входного сигнала значения, начиная с которого амплитудная характеристика теряет свою линейность.

Отношение (в децибелах) максимального напряжения на входе усилителя U МАКС к минимальному U МИН D = 20lg(U МАКС / U МИН) называется динамическим диапазоном усиления усилителя. Минимально допустимое входное напряжение обычно ограничено уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых выходной сигнал не удается выделить.

Амплитудная характеристика во многих случаях оказывается слишком грубым средством описания нелинейных искажений усилителя. Поэтому вводится понятие коэффициента гармоник (коэффициента нелинейных искажений), представляющего собой отношение суммы амплитуд всех гармоник напряжения (или тока) искаженного сигнала, кроме первой, к амплитуде напряжения (или тока) первой гармоники на выходе усилителя при воздействии на вход усилителя одного чисто синусоидального сигнала:

где U iВЫХ - амплитуда i-ой гармоники выходного искаженного сигнала, U 1ВЫХ - амплитуда первой (основной) гармоники. Первая гармоника представляет собой полезный сигнал, остальные являются результатом нелинейных искажений. Индекс определяет номер гармоники. Обычно учитывают только вторую и третью гармоники, так как амплитудные значения мощностей более высоких гармоник сравнительно малы.

Линейные и нелинейные искажения характеризуют точность воспроизведения формы входного сигнала усилителем.

Лекция 9.

Основные параметры и характеристики усилителя:

1. R вх =U 1 /I 1. – входное сопротивление.

На низких частотах – активное. Зависит от частоты.

На высоких частотах – комплексное.

2. R вых =U 2 xx/I 2 кз. (хх-холостой ход, кз-короткое замыкание).

3. К – коэффициент усиления, во сколько раз выходной сигнал больше входного.

а) К u =U 2 m /U 1 m – по напряжению.

б) K I =I 2 m /I 1 m – по току.

в) K p =P 2 /P 1 – по мощности.

Коэффициент усиления – величина безразмерная, иногда его выражают в относительных логарифмических единицах, которые называют децибелами.

При воздействии на усилитель гармонического сигнала, его коэффициент усиления оказывается частотно-зависимым и аналитически выражается комплексной функцией коэффициента передачи, которая называется частотной характеристикой.

Комплексный коэффициент передачи.

4. Зависимость коэффициента передачи от частоты – частотная характеристика.

АЧХ: K (j w) = (0

ФЧХ: j (j w) =j 2 -j 1 (0

Графики усилителя:

Идеальный усилитель должен иметь коэффициент усиления К 0 на всем диапазоне частот, в реальном же усилителе коэффициент меняется.

ФЧХ говорит о том, что на низких частотах фазовый сдвиг положителен, а на высоких частотах происходит запаздывание (т.е. отрицателен).

Амплитудная характеристика усилителя.

U вых =f(U вх.м);

Амплитудная характеристика.

1.Отличия в области малых амплитуд входного сигнала состоят в том, что при отсутствии входного сигнала на выходе имеется некоторый сигнал. Он возникает из-за наличия электромагнитных наводок и собственных шумов на вход усилителя

2.В области больших амплитуд отличия связаны с нелинейностью ВАХ активных элементов.

Из ВАХ вытекают основные параметры определяемые по амплитудной характеристике:

а. - динамический диапазон усилителя. Чем больше D, тем он качественнее.

Б.Чувствительность. Различают две чувствительности:

1.)Номинальная – величина входного сигнала, при котором на выходе обеспечивается номинальная мощность.

2).Пороговая – минимальный входной сигнал, при котором выходной сигнал однозначно определяется над уровнем шумов усилителя.

Пороговую чувствительность определяют, когда:

Искажения сигналов в усилителях.

Для идеального линейного усилителя форма входного и выходного сигналов должны совпадать. В реальных усилителях этого не происходит. Всякое отклонение формы сигнала на выходе от формы его на входе есть искажение создаваемое усилителем.

Искажения бывают:

1.Линейное;

2.Нелинейное.

Нелинейное искажение – это изменения формы сигнала на выходе, которые возникаютза счет нелинейности ВАХ активных металлов. Количественно нелинейные искажения оценивают коэффициентом нелинейных искажений (КНИ).

Линейное искажение бывает двух видов:

а. Частотное;

б. Фазовое;

Частотное искажение связано с наличием в схеме усилителя реактивных элементов и возникающих за счет неодинакового усиления различных гармонических составляющих.

Фазовое искажение возникает за счет неодинакового фазового сдвига различных гармонических составляющих. Причина этого - наличие реактивных элементов в схеме усилителя.

КПД усилителя.

КПД играет существенную роль в усилителях мощности.

Классификация усилителей.

Классификация усилителей может быть произведена по различным признакам:

1.По полосе пропускания и абсолютному значению усиливаемых частот усилители делятся на усилители постоянного тока и усилители переменного тока. Усилители переменного тока в свою очередь делятся на усилители низких частот, широкополосные усилители и на избирательные усилители.

а. Усилители постоянного тока – способны усиливать как переменные, так и постоянные составляющие сигнала. У них f н =0;

б. Усилители переменного тока – способны усиливать только переменные составляющие сигнала. F н >0.

в. Усилители низких частот – усилители звуковой частоты - f н »50 Гц,f в »20 кГц;

г. Избирательные усилители предназначены для усиления электрических сигналов в относительно узком диапазоне частот. Для них

2.По характеру входного сигнала:

а. Усилители непрерывных сигналов;

б. Усилители импульсных сигналов.

3.По виду используемых активных элементов:

а. Ламповые;

б. На биполярных транзисторах;

в. На полевых транзисторах;

г. На туннельных диодах;

д. Параметрические элементы. В них активным элементом является индуктивность и емкость, они могут усиливать электрический сигнал.

4. По числу усилительных каскадов:

Под усилительным каскадом понимают совокупность элементов способных усиливать электрические сигналы.

а. Однокаскадные;

б. Многокаскадные.

5. По виду связи между каскадами:

а. Усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами:

Б. Связь между усилителями осуществляющаяся через RC-элемент:

В. Усилители с трансформаторной связью:

Трансформаторная связь обеспечивает гальваническую развязку между каскадами.

Г. Усилители с оптоэлектронной связью:

Обеспечивает гальваническую развязку между каскадами и в то же время обеспечивает полную передачу сигнала от одного каскада к другому по переменной и постоянной составляющей.

Многокаскадные усилители.