Нелинейные искажения

Для выяснения сути нелинейных искажений рассмотрим сначала такое понятие, как амплитудная характеристика усилительного каскада.

Амплитудная характеристика отражает зависимость амплитуды выходного напряжения от изменения амплитуды напряжения на входе. По этой характеристике судят о возможных пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя. Ее снимают при синусоидальном входном сигнале для области средних частот. Типичный вид амплитудной характеристики усилителя показан на рис. 2.19. Участок 1—3 соответствует пропорциональной зависимости амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного сигнала Е_гm, которые связаны между собой коэффициентом усиления усилителя К_U. Амплитудная характеристика не проходит через начало координат ввиду наличия на выходе напряжения собственных помех и шумов усилителя. Участок ниже точки 1 амплитудной характеристики

Рис. 2.19. Амплитудная характеристика усилителя

не используется, так как здесь полезный сигнал трудно отличить от напряжения собственных помех и шумов усилителя. По величине U_min/К_U оценивают уровень минимальных напряжений входного сигнала (чувствительность) усилителя.

При достижении некоторого значения входного сигнала Е_{г m}, соответствующего точке 3, пропорциональность зависимости выходного напряжения от входного сигнала нарушается. Причиной является ограничение максимального напряжения одной или обеих полуволн выходного сигнала на неизменном уровне. Ограничение создается обычно в оконечном каскаде усилителя, работающем при наибольшем входном сигнале, и связано с нарушением требуемой связи параметров режима покоя каскада с амплитудными значениями его переменных составляющих напряжения и тока. Ограничение напряжения одной из полуволн обусловливается перемещением рабочей точки характеристики каскада вдоль линии нагрузки по переменному току в область начальных участков коллекторных характеристик, а другой полуволны — перемещением рабочей точки в область отсечки коллекторного тока (см. рис. 2.5, а).

Для получения наибольшей амплитуды выходного напряжения необходимо, чтобы точка покоя выходного каскада размещалась посередине его линии нагрузки по переменному току. При этом режим ограничения по амплитуде будет устанавливаться одновременно для обеих полуволн выходного напряжения. При невыполнении указанного условия режим ограничения амплитуды наступит вначале лишь для одной из полуволн и граничной точке 4 линейно нарастающего участка амплитудной характеристики (рис. 2.19) будет соответствовать меньшая величина U_{вых m}.

Рис. 23.6.Графическое представление работы усилителя.

Отношение амплитуды максимально допустимого выходного напряжения к минимально допустимому D = U_max / U_minназывается динамическим диапазоном усилителя.

При входном напряжении синусоидальной формы сигнал на выходе усилителя, строго говоря, нельзя считать чисто синусоидальным. Ввиду неизбежной нелинейности входных и выходных вольт-амперных характеристик транзисторов возникают искажения формы кривой выходного напряжения. Это относится как к синусоидальному входному напряжению, так и к входному сигналу любой другой формы. Такие искажения, вносимые усилителем, называют нелинейными. С увеличением амплитуды входного напряжения нелинейность вольт-амперных характеристик транзисторов проявляется сильнее, поэтому при большем напряжении входного сигнала нелинейные искажения, вносимые усилителем в кривую выходного напряжения, возрастают.

Нелинейные искажения, создаваемые усилителем, оценивают для синусоидального входного напряжения, исходя из состава высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения, появление которых вызвано отличием формы напряжения u_вых от синусоиды. Мерой оценки служит коэффициент нелинейных искажений (клирфактор) усилителя, указываемый в процентах

где P₂, P₃, P₄ — мощности, выделяемые в нагрузке под воздействием 2-й, 3-й, 4-й,... гармонических составляющих напряжения (U₂, U₃, U₄); P₁, - мощность в нагрузке, обусловленная основной гармонической составляющей напряжения (U₁).