Искажение сигналов в усилителе

Искажение сигналов в усилителе связано, во-первых, с нелинейной зависимостью выходного сигнала от входного, обусловленной нелинейностью статических ВАХ применяемых элементов, и, во-вторых, с частотной зависимостью амплитуды и фазы усиливаемого сигнала. Поэтому при анализе работы усилителей рассматривают два вида искажений выходного сигнала по отношению к входному: статические (нелинейные) и динамические (амплитудные и фазовые), в результате которых изменяется как форма, так и частотный спектр усиливаемого сигнала. Динамические искажения иногда называют линейными искажениями.

Причина возникновения нелинейных искажений поясняется рис. 2.1.4, в. Очевидно, что в данном случае при воздействии на вход усилительного устройства гармонического сигнала, выходной сигнал кроме входной гармоники будет содержать ряд дополнительных гармоник. Появление этих гармоник обусловлено зависимостью коэффициента усиления от величины входного сигнала. Следовательно, появление нелинейных искажений всегда связано с появлением на выходе дополнительных, отсутствующих на входе гармонических составляющих сигнала.

Для количественной оценки нелинейных искажений служит коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник) , в основу расчета которого положена оценка относительной величины высших гармоник к основной в выходном сигнале, т. е.

, (2.1.7)

где А₂,..А_п — действующие значения высших гармоник выходного сигнала, начиная со второй; А₁ - действующее значение первой (основной) гармоники выходного сигнала.

Частотные искажения усилительного устройства оценивают по виду его АЧХ. Причины возникновения частотных искажений рассмотрим на примере устройства, АЧХ которого приведена на рис. 2.1.5.

Предположим, на входе усилительного устройства действует сигнал, равный сумме двух гармоник одинаковой амплитуды, причем (рис. 2.1.6).

Согласно приведенной АЧХ (рис. 2.1.5) . Тогда напряжение на выходе усилителя примет вид, показанный на рис. 2.1.6. Сравнение суммарного входного и выходного сигналов показывает, что они, существенно, различны.

Из приведенных рассуждений видно, что идеальной (с точки зрения отсутствия частотных искажений) является АЧХ, у которой для всех усиливаемых частот выполняется соотношение: .

Рис. 2.1.5. Возникновение частотных искажений в усилителе:

АЧХ усилителя.

Количественно частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных искажений М, численно равным отношению коэффициента усиления в области средних частот для амплитудно-частотной характеристики к коэффициенту усиления на заданной частоте.

.

Фазовые искажения возникают из-за неравномерности фазо-частотной характеристики (ФЧХ) усилительного устройства (сплошная кривая на рис. 2.1.7).

Рис. 2.1.6. Возникновение частотных искажений в усилителе:

Входные и выходные сигналы усилителя.

Рис. 2.1.7. Возникновение фазовых искажений в усилителе: ФЧХ усилителя.

Условием идеальности ФЧХ является условие независимости фазы от частоты усиливаемого сигнала (штриховая линия на рис. 2.1.7), которая описывается линейной зависимостью вида:

.

Однако условие независимости фазы от частоты на практике трудно обеспечить и ФЧХ имеет вид сплошной линии на рис. 2.1.7.

Рассмотрим на примере природу возникновения фазовых искажений. Предположим, как и в случае амплитудных искажений сигнала, что на входе усилительного устройства действует сигнал, равный сумме двух гармоник, причем частоты этих сигналов отличаются в два раза, т. е. . Предположим также, что фазовый сдвиг , вносимый усилительным устройством между частотами и , равен . Вид выходного сигнала усилительного устройства при сделанных допущениях показан на рис. 2.1.8. Очевидно, что (как и в предыдущем случае) формы входного и выходного сигналов, существенно, различны.

Рис. 2.1.8. Возникновение фазовых искажений в усилителе: выходные сигналы усилителя.

Следует заметить, что так как на практике в усилительном устройстве используются только минимально фазовые звенья, то между его АЧХ и ФЧХ существует однозначная взаимосвязь. Поэтому рассмотренные примеры являются идеализированными и в реальном устройстве отделить частотные искажения от фазовых не представляется возможным.