Искажения сигналов в усилителях электрических сигналов

ВОПРОС №2

Качество работы усилителя, в основном, определяется степенью искажения сигналов, вносимых усилителем. Под искажениями усиленного сигнала следует понимать изменение формы выходного сигнала по сравнению с формой входного сигнала усилителя.

Любой усилитель в той или иной степени искажает сигнал. В зависимости от причин, изменяющих форму выходного сигнала, различаются следующие виды искажений:

– частотные,

– фазовые,

– переходные,

– нелинейные.

Частотные искажения

Определение. Искажения, проявляющиеся в изменении соотношения амплитуд спектральных составляющих сигнала, называются частотными искажениями.

Другими словами, отдельные гармонические составляющие входного сигнала усиливаются не одинаково. Это происходит за счет наличия в усилителе реактивных элементов: емкостей и индуктивностей.

Частотные искажения относятся к искажениям линейного характера, так как они не зависят от нелинейных свойств элементов схемы, например, от нелинейности характеристик ламп и транзисторов.

Количественная оценка частотных искажений характеризуется коэффициентом частотных искажений М, который равен отношению коэффициента усиления по напряжению на средних частотах К_СР к его значению данной частоте

. (2.19)

Как правило, на крайних частотах коэффициент усиления уменьшается, следовательно, М >1. На средних частотах М = 1. Исследования показали, что человеческое ухо не ощущает искажений, если их величина не превышает 30−40%, то есть М = 1,3–1,4. Для многокаскадных усилителей коэффициент частотных искажений определяется выражением

М общ = М₁? М₂?...? М_n,

где n–количество каскадов;

М₁, М₂ … –коэффициент частотных искажений первого, второго и т.д. каскадов.

Коэффициент частотных искажений может быть определен и в логарифмических единицах (децибелах)

М [дБ] = 20 1gM.

Тогда для многокаскадного усилителя

М _ОБЩ [дБ] = М₁ + М₂ +...+ М_n.

Более полное представление о частотных свойствах усилителя при гармоническом входном сигнале можно получить по амплитудно-частотной характеристике усилителя (АЧХ) (рис.2.5).

Амплитудно-частотной характеристикой электронного усилителя называется зависимость коэффициента усиления напряжения (тока) усилителя от частоты гармонического входного сигнала.

Иногда АХЧ называется частотной характеристикой. Идеальной АЧХ является прямая линия параллельная оси частот (рис.2.5а), а реальная АЧХ (рис.2.5б) имеет «завалы» в областях нижних и верхних частот.

АЧХ может быть представлена и в системе координат, где по вертикальной оси отложен коэффициент усиления в относительных единицах

или в логарифмических единицах Y = –20 1gM_[дБ], а по горизонтальной оси – частота.

К а

60 б

К_Н К_СР К_В

10 f_Н f_В

0 f

Область Область Область

нижних средних верхних

частот частот частот

Рис.2.5. Амплитудно-частотная характеристика усилителя:

а) идеальная; б) реальная

Фазовые искажения

Определение. Искажения, вызванные нарушением фазовых соотношений между отдельными спектральными составляющими сигнала при передаче по какой-либо цепи, называются фазовыми.

Эти искажения тесно связаны с частотными искажениями, так как причина их появления общая – наличие в схеме усилителя реактивных элементов. Фазовые искажения, как и частотные, не зависят от нелинейности характеристик усилительных элементов и поэтому являются линейными.

Человеческий слух практически не реагирует на фазовые искажения и поэтому при проектировании усилителей звуковой частоты эти искажения не учитываются.

При определении фазовых искажений учитываются только фазовые сдвиги, создаваемые реактивными элементами схемы (рис.2.6), и не учитываются повороты фазы, вызываемые УЭ. При прохождении через УЭ происходит запаздывание отдельных составляющих на одинаковое время Δt (рис.2.7). Фазовые свойства усилителя характеризуются его фазочастотной характеристикой. ФЧХ показывает зависимость разности фаз входного и выходного гармонических сигналов (φ) усилителя от частоты (f).

Определение. Фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) электронного усилителя называется зависимость аргумента передаточной функции усилителя от частоты гармоничного входного сигнала.

Идеальная фазочастотная характеристика (когда отсутствуют фазовые искажения) имеет вид прямой линии (рис.2.8а). Такая характеристика выражает пропорциональную зависимость угла сдвига фазы от изменения частоты. Реальная ФЧХ представлена на рисунке 2.8б. При оценке фазовых частот берутся не абсолютные значения фазовых сдвигов, а величина отклонения Δφ⁰ реальной характеристики от идеальной.

Фазочастотную характеристику усилителя можно построить, используя соотношение, связывающее между собой частотные и фазовые искажения

.

U_ВХ 1-я гармоника U_ВХ 1-я гармоника

2-я гармоника 2-я гармоника

0 t 0 t

U_ВЫХ 1-я гармоника U_ВЫХ 1-я гармоника

2-я гармоника 2-я гармоника

0 t 0 t

Δt

Рис. 2.6. Фазовые сдвиги Рис.2.7. Поворот фазы сигнала

отдельных гармоник сигнала усилительным элементом

+φ⁰

Δφ_Н f_Н f_В f

а

- φ⁰ Δφ_В

б

Рис.2.8. Фазочастотная характеристика:

а) идеальная; б) реальная

Величина фазовых искажений и требования, предъявляемые к фазочастотной характеристике, зависят от назначения усилителя. При этом для получения необходимой формы характеристики используются специальные корректирующие цепи.

В многокаскадном усилителе фазовый сдвиг равен сумме фазовых сдвигов отдельных каскадов

φ_общ = φ₁ + φ₂ + … + φ_n.

Переходные искажения

Определение. Искажения выходного импульса по сравнению с входным прямоугольным импульсом называются переходными искажениями.

Переходные искажения создаются за счет присутствия в схеме усилителя реактивных элементов (индуктивностей, емкостей). Эти искажения также относятся к линейным, так как не зависят от нелинейных элементов схемы.

Основной характеристикой импульсного сигнала является его форма. На рисунке 2.9а показан входной прямоугольный импульс, а на рисунке 2.9б выходной искаженный импульс.

В начале импульса (рис. 2.9б) происходит быстрое нарастание напряжения до амплитудного значения U_m. В течение некоторого времени напряжение сравнительно медленно уменьшается на величину ΔU_C, затем быстро падает. Можно выделить три части реального прямоугольного импульса: фронт, вершину (плоская часть) и спад. Кроме того, вследствие переходных процессов в конце фронта и спада импульса может возникнуть выброс напряжения или тока. После выброса наблюдаются затухающие паразитные колебания.

U_ВХ t_И

а)

0 t

U_ВЫХ

ΔU_В

ΔU_С

б)

U_m 0,9U_m

0,1U_m t

0 t_Ф

t_С

t_И

Рис. 2.9. Искажения прямоугольного импульса при усилении

а) входной прямоугольный импульс; б) выходной искаженный импульс

Для оценки искажений прямоугольного импульса используются следующие величины:

tф – длительность фронта,

ΔU_C – спад вершины,

t_C – длительность спада,

ΔU_B – выброс фронта.

Принято считать, что импульс имеет «активную» длительность, которая отсчитывается на некотором определенном уровне, обычно на уровне 0,1U_m. Длительность фронта tф равна промежутку времени между моментами, когда напряжение или ток с уровня 0,1U_m достигнет уровня 0,9U_m.

Длительность импульса t_И определяется на уровне 0,1U_m (0,1І_m ) или на уровне 0,5 U_m (0,5І_m).Длительность спада, а также фронта, не должны превышать 0,1–0,3 длительности импульса t_И. Величина спада вершины импульса определяется выражением

. (2.20)

При этом величина Δс не должна превышать 3–5%.

Величина выброса фронта определяется выражением

. (2.21)

Эта величина также не должна превышать 3–5%.

Если усилитель многокаскадный, то вышеуказанные параметры прямоугольного импульса будут находиться так:

; (2.22)

; (2.23)

, (2.24)

где n – количество каскадов усилителя.

Нелинейные искажения

Определение. Нелинейными искажениями называются искажения, проявляющиеся в появлении в частотном спектре выходного сигнала составляющих, отсутствующих в спектре входного сигнала.

Нелинейные искажения вызываются нелинейностью характеристик УЭ (ламп, транзисторов), а также нелинейностью намагничивания сердечников трансформатора усилителя.

Появление нелинейных искажений происходит следующим образом. На вход подан гармонический сигнал (рис.2.10а). На выходе усилителя за счет нелинейных искажений получается искаженный сигнал. На рисунке 2.10б он обозначен как «результат». Искаженный выходной сигнал, как и любой не гармонический сигнал, может быть представлен суммой гармонических сигналов с частотами f и 2f.

Таким образом, на выходе усилителя в сигнале появляются дополнительные частотные составляющие, отсутствующие на входе. При этом, чем больше нелинейности характеристик УЭ, тем больше искажается выходной сигнал, тем больше частотных составляющих появляются в его спектре.

Нелинейные искажения оцениваются с помощью коэффициента гармоник, который равен отношению среднеквадратического напряжения суммы гармоник сигнала, кроме первой, к эффективному значению напряжения первой гармоники, при воздействии на вход усилителя синусоидального сигнала

, (2.25)

где U₁, U₂, U₃…U_n – напряжение 1-й, 2-й, 3-й … n-й гармоник выходного сигнала.

Иногда вместо значений напряжения могут использоваться значения тока

, (2.26)

где I₁, I₂, I₃…I_n – ток 1-й, 2-й, 3-й … n-й гармоник выходного сигнала.

U_ВХ f

а) 0 t

Результат

U f

2f

б) 0 t

Рис.2.10. Искажение формы сигнала при усилении

Можно найти такой коэффициент второй, третьей и т.д. гармоник

; . (2.27)

В этом случае общий коэффициент гармоник также находится через коэффициент второй, третьей и т.д. гармоник

. (2.28)

Общий коэффициент гармоник многокаскадного усилителя КГ _ОБЩ определяется через коэффициенты гармоник отдельных каскадов

, (2.29)

где К_Г1, К_Г2,…К_Гn – коэффициент гармоник первого, второго и т.д. каскадов усилителя.

Допустимая величины коэффициента гармоник зависит от назначения усилителя. Так, в усилителях высокого класса К_Г не должен превышать 1%, для среднего класса 5–7%.

Выводы по 2-му вопросу:

1. Рассмотренные искажения возникают практически во всех усилителях и задача инженеров сводится к их максимальному снижению.

2. Нелинейные искажения возникают во многих радиоэлектронных устройствах и играют, кроме того, важную роль в генерации сигналов и синтезе частот.

3. Усилители электрических сигналов являются основными функциональными элементами средств связи:

– радиопередающих устройств (РПДУ),

– радиоприемных устройств (РПУ),

– радиостанций,

– устройств обработки сигнала.

4. Усилитель отличается от других электрических цепей способностью увеличивать не только амплитуду напряжения (тока), но и увеличивать мощность сигнала.

5. Усилитель должен иметь в своем составе следующие составные части:

– источник входного сигнала,

– усилительный элемент,

– нагрузку,

– источник питания.

6. Основные параметры усилителя могут изменяться в относительных или логарифмических единицах (децибелах). В случае многокаскадного усилителя относительные единицы перемножаются, а логарифмические складываются.

7. Любой усилитель искажает проходящий через него сигнал. Различаются частотные, фазовые, переходные, нелинейные искажения.

8. Величины допустимых искажений определяются назначением усилителя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная лекция имеет важное значение в подготовке будущего офицера-связиста, инженера. Рассматриваемые в лекции вопросы отражают значимые для специалиста радиосвязи моменты: раскрыта физическая суть основных характеристик и параметров любого усилителя электрических сигналов. Стоит отметить, что указанные параметры характеризуют не только усилители, но и другие электронные устройства, а также и такие средства связи, как радиоприемник, радиопередатчик и др.

Знание основных параметров и характеристик усилителя во многом поможет быстрее и глубже разобраться в принципах построения и функционирования усилителей и других электронных устройств. При этом следует учитывать, что компетенция инженера во многом определяется способностью свободно оперировать техническими терминами.