Линейные искажения возникают в двух случаях:
1) когда отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются неодинаково;
2) когда фазовые сдвиги, которые приобретают гармонические составляющие сигнала, пройдя через усилитель, изменяют их взаимный сдвиг во времени.
Чтобы усилитель в полосе рабочих частот не вносил линейных искажений, его АЧХ должна быть прямоугольной, а ФЧХ — линейной (рис. 10.9,а,б).
При наличии линейных искажений форма сигнала на выходе усилителя может отличаться от его формы на входе, но при этом новых частот в спектре выходного сигнала не возникает.
На рис. 10.9 цифрой 1 отмечены характеристики усилителя, не вносящего линейных искажений при усилении сигнала, а цифрой 2 — характеристики усилителя, вносящего искажения вследствие действия этих обоих факторов.
Чаще всего фазовые искажения не нормируются и линейные искажения оценивают коэффициентами МВ и МН. Обычно МВ=0,10. 1,и и МН=0,9 . 1,1.
Рис. 10.9. Идеальные (1) и реальные (2) АЧХ (а) и ФЧХ (б) усилителя
Однако при использовании усилителей для обработки телевизионных сигналов во избежание неправильной передачи яркости и цвета изображения нужно учитывать линейные искажения, возникающие из-за влияния нелинейности ФЧХ усилителей.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 9841 — 
| 7702 — 
или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
Основным параметром электронного усилителя является коэффициент усиления К. Коэффициент усиления мощности (напряжения, тока) определяется отношением мощности (напряжения, тока) выходного сигнала к мощности (напряжению, току) входного и характеризует усилительные свойства схемы. Выходной и входной сигналы должны быть выражены в одних и тех же количественных единицах, поэтому коэффициент усиления является безразмерной величиной.
В отсутствие реактивных элементов в схеме, а также при определенных режимах ее работы, когда исключается их влияние, коэффициент усиления является действительной величиной, не зависящей от частоты. В этом случае выходной сигнал повторяет форму входного и отличается от него в К раз только амплитудой. В дальнейшем изложении материала речь пойдет о модуле коэффициента усиления, если нет особых оговорок.
В зависимости от требований, предъявляемых к выходным параметрам усилителя переменного сигнала, различают коэффициенты усиления:
а) по напряжению, определяемый как отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения к амплитуде переменной составляющей входного, т. е.
б) по току, который определяется отношением амплитуды переменной составляющей выходного тока к амплитуде переменной составляющей входного:
Так как 
, то коэффициент усиления по мощности можно определить следующим образом:
При наличии реактивных элементов в схеме (конденсаторов, индуктивностей) коэффициент усиления следует рассматривать как комплексную величину
где m и n — действительная и мнимая составляющие, зависящие от частоты входного сигнала:
Положим, что коэффициент усиления К не зависит от амплитуды входного сигнала. В этом случае при подаче на вход усилителя синусоидального сигнала выходной сигнал также будет иметь синусоидальную форму, но отличаться от входного по амплитуде в К раз и по фазе на угол 
.
Периодический сигнал сложной формы согласно теореме Фурье можно представить суммой конечного или бесконечно большого числа гармонических составляющих, имеющих разные амплитуды, частоты и фазы. Так как К — комплексная величина, то амплитуды и фазы гармонических составляющих входного сигнала при прохождении через усилитель изменяются по-разному и выходной сигнал будет отличаться по форме от 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 (характеризующие изменение модуля коэффициента усиления К в полосе частот за счет влияния реактивных элементов в схеме); фазовые (характеризующие зависимость сдвига по фазе между выходным и входным сигналами от частоты за счет влияния реактивных элементов).
Частотные искажения сигнала можно оценить с помощью амплитудно-частотной характеристики, выражающей зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты. Амплитудно-частотная характеристика усилителя в общем виде представлена на рис. 1.2. Рабочий диапазон частот усилителя, внутри которого коэффициент усиления можно считать с известной степенью точности постоянным, лежит между низшей 
и высшей 
граничными частотами и называется полосой пропускания. Граничные частоты определяют уменьшение коэффициента усиления на заданную величину от своего максимального значения 
на средней частоте 
.
Введя коэффициент частотных искажений на данной частоте 
,
где 
— коэффициент усиления по напряжению на данной частоте, можно с помощью амплитудно-частотной характеристики определить частотные искажения в любом диапазоне рабочих частот усилителя.
Поскольку наибольшие частотные искажения имеем на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя, как правило, задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах, т. е.
где 
— соответственно коэффициенты усиления по напряжению на высшей и низшей граничных частотах.
Обычно принимают 
, т. е. на граничных частотах коэффициент усиления по напряжению уменьшается до уровня 0,707 значения коэффициента усиления на средней частоте. При таких условиях полоса пропускания усилителей звуковой частоты, предназначенных для воспроизведения речи и музыки, лежит в пределах 30—20 000 Гц. Для усилителей, применяемых в телефонии, допустима более узкая полоса пропускания 300—3400 Гц. Для усиления импульсных сигналов необходимо использовать так называемые широкополосные усилители, полоса пропускания которых располагается в диапазоне частот от десятков или единиц герц до десятков или даже сотен мегагерц.
Для оценки качества усилителя часто пользуются параметром
Для широкополосных усилителей 
, поэтому
Противоположностью широкополосных усилителей являются избирательные усилители, назначение которых состоит в усилении сигналов в узкой полосе частот (рис. 1.3).
Усилители, предназначенные для усиления сигналов со сколь угодно малой частотой, называются усилителями постоянного тока. Из определения ясно, что низшая граничная частота 
полосы пропускания такого усилителя равна нулю. Амплитудно-частотная характеристика усилителя постоянного тока дана на рис. 1.4.
Фазочастотная характеристика показывает, как меняется угол сдвига фаз между выходным и входным сигналами при изменении частоты и определяет фазовые искажения.
Фазовые искажения отсутствуют при линейном характере фазочастотной характеристики (пунктирная линия на рис. 1.5), так как в этом случае каждая гармоническая составляющая входного сигнала при прохождении через усилитель сдвигается по времени на один и тот же интервал 
. Угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами при этом пропорционален частоте
где 
— коэффициент пропорциональности, определяющий угол наклона характеристики к оси абсцисс.
Фазочастотная характеристика реального усилителя представлена на рис. 1.5 сплошной линией. Из рис. 1.5 видно, что в пределах полосы пропускания усилителя фазовые искажения минимальны, однако резко возрастают в области граничных частот.
Если коэффициент усиления зависит от амплитуды входного сигнала, то имеют место нелинейные искажения усиливаемого сигнала, обусловленные наличием в усилителе элементов с нелинейными вольт-амперными характеристиками.
Задавая закон изменения 
можно проектировать нелинейные усилители с определенными свойствами. Пусть коэффициент усиления определяется зависимостью 
, где 
— коэффициент пропорциональности.
Тогда при подаче на вход усилителя синусоидального входного сигнала 
выходной сигнал усилителя
где 
— амплитуда и частота входного сигнала.
Записав 
, получим
Таким образом, выходной сигнал усилителя при синусоидальном входном сигнале будет иметь постоянную составляющую и косинусоиду двойной частоты.
Подключив на выход усилителя разделительный конденсатор большой емкости, можно исключить постоянную составляющую и использовать такой усилитель, как удвоитель частоты.
В общем случае при сложной зависимости 
выходной сигнал усилителя состоит из постоянной 
и гармонических составляющих с частотами, кратными частоте входного сигнала, т. е.
где 
— сдвиг по фазе между входным сигналом и соответствующей гармонической составляющей выходного сигнала.
Первая гармоническая составляющая в выражении (1.6) представляет собой полезный сигнал, остальные являются результатом нелинейных искажений.
Нелинейные искажения можно оценить с помощью так называемого коэффициента гармоник
где 
— амплитудные значения соответственно мощности, напряжения и тока гармонических составляющих.
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.
Амплитудная характеристика четырехполюсников, состоящих только из линейных элементов, при любом значении 
теоретически является наклонной прямой. Практически же максимальное значение 
ограничивается электрической прочностью элементов четырехполюсника. Амплитудная характеристика усилителя, выполненного на электронных приборах (рис. 1.6), в принципе нелинейна, однако может содержать участки ОА, где кривая носит приблизительно линейный характер с большой степенью точности. Рабочий диапазон входного сигнала не должен выходить за пределы линейного участка (ОА) амплитудной характеристики усилителя, иначе нелинейные искажения превысят допустимый уровень.
Основным качественным показателем усилителя является точность воспроизведения формы усиливаемого сигнала. В идеальном усилителе форма сигнала на выходе должна точно повторять форму входного сигнала. Отклонение формы выходного сигнала от формы сигнала, подаваемого на его вход, называется искажением. В усилителях различают два вида искажений – линейные и нелинейные. Оба вида искажений изменяют форму входного сигнала, но причины их появления различны.
Линейные искажения обусловлены зависимостью модуля коэффициента усиления напряжения или тока, а также фазового сдвига между входными и выходными величинами от частоты входного сигнала. Линейные искажения можно разделить на частотные и фазовые.
Форма сложного сигнала на выходе усилителя, работающего в линейном режиме, будет отличаться от входной в том случае, если гармонические составляющие входного сигнала будут усиливаться в усилителе неодинаково, а также, если вносимые усилителем фазовые сдвиги будут различными для отдельных гармонических составляющих. Вызываемые указанными причинами изменения формы выходного сигнала называют соответственно частотными и фазовыми искажениями.
Частотные искажения – это искажения, обусловленные изменением значения коэффициента усиления на различных частотах. Идеальная АЧХ должна иметь одинаковый коэффициент усиления во всем диапазоне рабочих частот. Реальная же характеристика имеет «завалы» на частотах, близких к границам диапазона рабочих частот. Снижение коэффициента усиления на низших частотах объясняется возрастанием емкостного сопротивления разделительных конденсаторов
по мере снижения частоты сигнала.
Снижение KU на высших частотах объясняется влиянием паразитных емкостей «коллектор – база», «коллектор – эмиттер» и «база – эмиттер», а также паразитных емкостей, которые возникают при монтаже. Эти емкости на высоких частотах приводят к закорачиванию транзисторов и снижению усиления сигнала.
Для количественной оценки частотных искажений используют коэффициент частотных искажений (M), равный отношению коэффициента усиления на средних частотах (Kср) к коэффициенту усиления на данной частоте (K¦):
Поскольку наибольшие частотные искажения имеются на границах рабочего диапазона, то при расчете усилителя задают коэффициенты частотных искажений на низшей и высшей частотах, т.е.
Частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются появлением фазовых искажений. При усилении синусоидального сигнала с неизменной частотой линейные искажения не играет большой роли: на одной определенной частоте всегда можно добиться достаточного усиления, а фазовые сдвиги скомпенсировать. Проблема линейных искажений возникает тогда, когда сигнал имеет сложную форму. Для такого сигнала фазочастотные искажения не менее, а часто более существенны, чем амплитудно-частотные.
Фазовые искажения не влияют на спектральный состав и соотношение амплитуд гармонических составляющих сложного сигнала, а вызывают изменение его формы в результате различных фазовых сдвигов, возникающих у отдельных составляющих сигнала после прохождения через усилитель.
Влияние фазовых искажений на форму сигнала, состоящего из двух гармоник, упрощенно поясняется на рис. 6.7, а и б. Построение проведено при условии, что коэффициент усиления не зависит от частоты, но для второй гармоники усилитель вносит сдвиг фаз на угол φ = π/4. Из графика (рис. 6.7, б) видно, что форма выходного сигнала очень сильно отличается от формы входного, следовательно, большие фазовые искажения не менее существенно, чем частотные, влияют на качество работы усилителя.
Фазочастотные искажения отсутствуют при отсутствии относительного сдвига гармоник. Для этого должно соблюдаться условие:
Это условие выполняется, если фазочастотная характеристика линейна (рис. 6.7, в):
В отличие от линейных искажений, нелинейные искажения в усилителях обусловлены наличием нелинейных элементов, в первую очередь, транзисторов, а также друг
