3.8. Линейные искажения и связанные с ними амплитудно-частотные характеристики, фазочастотные характеристики и переходные характеристики

Линейные искажения это отклонения формы сложного гармонического сигнала или импульсного сигнала на выходе усилителя от формы сигнала на его входе, вызванные влиянием реактивных элементов усилителя (емкостей, индуктивностей), а также влиянием инерционных свойств УЭ усилителя.

Линейные искажения, в отличие от нелинейных искажений, не сопровождаются появлением в спектре сигнала новых гармонических составляющих.

Методы оценки этих искажений в гармонических и импульсных усилителях различаются.

В гармонических усилителях для оценки линейных искажений применяют метод частотных характеристик, при котором рассматриваются зависимости от частоты комплексных сопротивлений и показателей усилителя.

В импульсных усилителях для оценки линейных искажений применяют метод переходных характеристик, при котором рассматриваются в зависимости от времени переходные процессы установления токов и напряжений в цепях усилителя, содержащих реактивные элементы (например, процессы заряда–раз- ряда емкостей и т.д.).

В гармонических усилителях линейные искажения называются амплитудно-частотными (сокращенно, частотными) и фазочастотными (фазовыми). Их суть можно наглядно пояснить с помощью приведенных в разделе 3.3 комплексных выражений для коэффициента усиления по напряжению (3.8) и для сквозного коэффициента усиления по напряжению (3.9). Эти коэффициенты усиления характеризуются модулями и аргументами, зависящими от частоты сигнала из-за влияния реактивных составляющих в цепях усилителя, в его нагрузке и входной цепи, а также из-за влияния инерционных свойств УЭ. Именно зависимость от частоты модулей и аргументов этих коэффициентов усиления и приводит к линейным искажениям.

Искажения формы сложного гармонического сигнала, вызванные изменениями соотношений амплитуд спектральных составляющих сигнала на выходе усилителя по сравнению со спектром сигнала на его входе вследствие неодинакового значения модулей коэффициентов усиления отдельных гармонических составляющих сигнала, называются амплитудно-частотными (частотными) искажениями.

Искажения же формы сложного гармонического сигнала, вызванные неодинаковыми сдвигами во времени отдельных его гармонических составляющих из-за вносимых усилителем фазовых сдвигов в процессе усиления, называются фазочастотными (фазовыми) искажениями.

Необходимо подчеркнуть (и это надо сознавать), что если при рассмотрении частотных и фазовых искажений будет использоваться выражение для коэффициента усиления по напряжению (3.8), то будет дана оценка частотным и фазовым искажениям усилителя без учета его входной цепи, то есть от входных клемм до выходных клемм усилителя, включая нагрузку (см. рис. 3.1). Если же при оценке частотных и фазовых искажений будет использоваться выражение для сквозного коэффициента усиления по напряжению (3.9), то будут оценены частотные и фазовые искажения усилителя вместе с его входной цепью, то есть всего усилительного тракта - от ЭДС источника сигнала до нагрузки усилителя включительно (рис. 3.1).

Поэтому ниже будет даваться оценка частотным и фазовым искажениям сначала самого усилителя, а потом всего сквозного усилительного тракта.

Частотные искажения самого усилителя оцениваются по амплитудно-частотной характеристике усилителя (АЧХ), представляющей собой график зависимости модуля коэффициента усиления по напряжению от частоты при заданном и неизменном входном напряжении сигнала , которое, во избежание нелинейных искажений, не должно превышать номинального значения U_вх.ном (обычно берут U_вх<0,5U_вх.ном, что соответствует примерно середине линейного участка амплитудной характеристики усилителя).

В порядке иллюстрации на рис. 3.5 штрих-пунктирной линией, параллельной оси абсцисс, показана идеальная АЧХ, а сплошной линией –наиболее типичная для усилителей гармонических сигналов реальная АЧХ.

Для удобства анализа реальная АЧХ разбивается на три области частот: средних, нижних и высоких (см. рис. 3.5). В области средних рабочих частот реальная АЧХ совпадает с идеальной, так как коэффициент усиления по напряжению в области средних частот практически не зависит от частоты вследствие пренебрежимо малого влияния реактивных элементов и инерционных свойств УЭ усилителя. В областях же низких и высоких рабочих частот реальная АЧХ отклоняется от идеальной, так как здесь уменьшается относительно коэффициента усиления на средних частотах из-за влияния реактивных составляющих сопротивлений в цепях усилителя и в нагрузке, а также из-за влияния инерционных свойств УЭ (забегая вперед, можно отметить, что завал АЧХ в области низких частот вызывается влиянием конденсаторов и трансформаторов связи, если они используются в усилителях, а в области высоких частот – влиянием инерционных свойств УЭ и реактивных составляющих нагрузки).

Частоты и (рис 3.5), на которых уменьшается до допустимого (заданного) значения относительно , называются соответственно нижней граничной и верхней граничной частотами. Средняя частота усилителя определяется по выражению . Для усилителей звуковых частот (УЗЧ) и широкополосных усилителей средняя частота принимается равной 1кГц, а для УПТ - равной нулю.

Область частот от нижней граничной частоты до верхней граничной частоты , в пределах которой изменения коэффициента усиления не превышают допустимых значений, называется диапазоном рабочих частот или полосой пропускания частот усилителя .

Одним из важных показателей усилителя, связанного с его полосой пропускания частот, является так называемая площадь усиления, равная произведению коэффициента усиления на средних частотах и полосы пропускания усилителя. Поскольку в УЗЧ, в УПТ и в широкополосных усилителях всегда выполняется условие , так как , то площадь усиления таких усилителей будет определятся выражением:

. (3.37)

При построении АЧХ коэффициент усиления откладывается в относительных значениях в линейном масштабе или в относительных значениях в логарифмическом масштабе lgK, но может откладываться и в децибелах К(дБ)=20lgK, а частота f в герцах (или угловая частота ) – всегда в логарифмическом масштабе lgf, что обусловлено широким диапазоном современных усилителей.

В связи с тем, что вносимые усилителем частотные искажения определяются неравномерностью его АЧХ в диапазоне рабочих частот, за меру частотных искажений принимают модуль относительного коэффициента усиления Y, представляющего собой отношение модуля коэффициента усиления на рассматриваемой частоте К к коэффициенту усиления на средней частоте :

. (3.38)

АЧХ усилителя часто строят именно в виде зависимости Y от частоты (рис 3.6).

Такие АЧХ усилителя называются нормированными. Нормированные АЧХ очень удобны для оценки изменения АЧХ усилителя при изменениях К в зависимости от изменений параметров усилителя или для сравнения АЧХ усилителей с различными значениями .

Для оценки частотных искажений усилителя наряду с относительным коэффициентом усиления Y применяют также коэффициент частотных искажений:

. (3.39)

В лабораторных условиях иногда, в целях ускоренной обработки результатов эксперимента, АЧХ усилителя строят в виде графика зависимости выходного напряжения частоты при заданном и неизменном входном напряжении (рис 3.7).

Эта АЧХ также может быть легко приведена к нормированному виду, приведенному ранее на рис. 3.6, учитывая, что:

, (3.40)

. (3.41)

и часто выражают в децибелах:

Y(дБ)=20lgY; M(дБ)=20lgM. (3.42)

Очевидно, что Y(дБ)=20lgY= -20lgM= -M дБ.

Для перевода и из децибел в относительные значения пользуются соотношениями:

; . (3.43)

На частотах, где Y=M=1 (или в децибелах Y(дБ) = M(дБ) = 0 ), частотных искажений нет. Чем больше Y или M в относительных значениях отличаются от единицы (или чем больше и отличаются от нуля), тем больше вносимые усилителем частотные искажения. Очевидно, что при идеальной АЧХ усилителя частотные искажения отсутствуют.

В случае оценки частотных искажений всего (сквозного) усилительного тракта, то есть усилителя вместе с его входной цепью, во всех рассуждениях вместо модуля входного напряжения и коэффициента усиления по напряжению усилителя будут фигурировать модули ЭДС источника сигнала и сквозного коэффициента усиления . В этом случае на рис. 3.5 вместо будет , на рис. 3.6 вместо будет (и соответственно ), а на рис. 3.7 вместо будет Е_ист<0,5E_{ист.ном}, то есть везде будут фигурировать сквозные АЧХ и сквозные показатели Y^*, .

Очевидно, что эти сквозные АЧХ и сквозные показатели можно найти и иначе: в дополнение к ранее найденным АЧХ усилителя и его показателям Y, , найти АЧХ и показатели входной цепи Y_вх.ц , а потом перемножить одноименные показатели для усилителя и для входной цепи (у АЧХ при этом перемножаются ординаты для одинаковых частот), то есть Y^*=Y_вх.ц^.Y и (в этих выражениях все величины должны быть в относительных значениях).

Сквозные АЧХ и показатели Y^* и характеризуют усилитель с учетом свойств его входной цепи, то есть сквозной тракт усиления.

В звуковых трактах возникает необходимость получать еще более полную информацию об АЧХ и частотных искажениях – сквозные АЧХ и частотные искажения с учетом влияния не только входной цепи усилителя, но и с учетом влияния свойств звуковоспроизводящего устройства (динамика, колонки): при этом они оцениваются не по , а по звуковому давлению, создаваемому звуковоспроизводящими устройствами. Аналогично, в видеотрактах более полной оценкой частотных искажений будет оценка с учетом влияния свойств кинескопа, то есть оценка по яркости.

Забегая вперед, можно отметить некоторые особенности построения АЧХ операционных усилителей (рис. 3.8), являющихся типичными УПТ. Ее обычно идеализируют, представляя в виде двух пересекающихся прямых, одна из которых проходит параллельно оси частот от до граничной частоты на уровне коэффициента усиления ОУ, а другая – наклонно от до частоты единичного усиления .

Значения по оси ординат откладывают чаще всего в децибелах К_ОУ(или К^*_ОУ)=20lgК_ОУ (или К^*_ОУ), а значения частоты в герцах в логарифмическом масштабе по оси абсцисс откладывают через октаву, равную разности , или через декаду, равную разности , по логарифмической шкале (на рис. 3.8 значения частоты отложены через декаду в логарифмическом масштабе).

Граничная частота определяется как или , в зависимости от того, какой коэффициент усиления откладывается по оси ординат.

Крутизну спада идеализированной АЧХ характеризуют значениями в или в .

Наибольшая погрешность от идеализации будет на граничной частоте (см.рис.3.8), но она обычно не превышает примерно 3 дБ.

Диапазон рабочих частот (полоса пропускания) и допустимые частотные искажения усилителя определяются спектральным составом усиливаемых сигналов, то есть назначением усилителя.

Для лучшего понимания этого необходимо представлять последствия, к которым приводят неточный выбор полосы пропускания усилителя и частотные искажения усилителя. В усилителях звуковой частоты (УЗЧ) частотные искажения проявляются в изменении тембра звучания: при завале АЧХ на высоких частотах ухудшается звучание высокочастотных музыкальных инструментов (скрипки, флейты и т.д.), а при завале АЧХ на низких частотах ухудшается звучание низкочастотных музыкальных инструментов (контрабаса, барабана и т.д.). В видеоусилителях частотные искажения на высоких частотах ухудшают четкость изображения на экране кинескопа. В усилителях, предназначенных для использования в измерительной аппаратуре (в осциллографах, в вольтметрах и т.д.) неравномерность АЧХ приводит к частотным ошибкам и так далее.

Ниже в порядке иллюстрации приводятся примерные данные по диапазонам рабочих частот и допустимым частотным искажениям усилителей различного назначения.

В усилителях, используемых для усиления сигналов речи в телефонных каналах связи, диапазон рабочих частот самый узкий – от до при допустимых значениях на граничных частотах порядка 6 дБ (это обусловлено необходимостью экономного использования отводимой для связи полосы частот и удешевления оборудования в каналах передачи речевой информации без ущерба для разборчивости речи, которая получается достаточной потому, что, во-первых, сам спектр речевого сигнала неширокий, а, во-вторых, при узкой полосе частот уменьшается уровень помех).

В усилителях, предназначенных для записи, передачи и воспроизведения речи и музыки, диапазон рабочих частот и допустимые частотные искажения зависят от класса качества аппаратуры трактов звукового вещания. В усилителях среднего качества f_н(70…100)Гц, f_в(5…8)кГц при частотных искажениях порядка М<(2…4)дБ, которые почти незаметны на слух. В усилителях высокого качества f_н(20…50)Гц, f_в(15…20)кГц при неравномерности АЧХ менее 2 дБ. В усилителях высшего класса качества может быть и при М<(0,1…1)дБ (здесь выбор большого значения , превышающего самую высшую частоту звукового спектра , обусловлен стремлением лучшего воспроизведения быстрых перепадов громкости звучания).

В усилителях, предназначенных для использования в измерительной аппаратуре (в осциллографах, в вольтметрах и т.д.), f_н(0…20)Гц, а до 60 мГц при порядка десятых и сотых долей децибела.

В телевизионных усилителях ; .

В заключение рассмотрения АЧХ и частотных искажений следует отметить, что равномерная АЧХ (рис. 3.5, 3.6, 3.7), типичная для многих усилителей гармонических сигналов (УЗЧ, усилителей для измерительной аппаратуры, видеоусилителей и т.д.), неприемлема для некоторых других усилителей.

Например, в усилителях многоканальных систем связи, соединяемых друг с другом с помощью коаксиальных кабелей, затухание которых возрастает с повышением частоты, АЧХ должна быть с возрастающим коэффициентом усиления по мере увеличения частоты (рис. 3.9).

Это позволяет скомпенсировать возрастание с частотой затухания коаксиальных кабелей.

Рис.3.9

В усилителях воспроизведения магнитной записи АЧХ имеет еще более сложную форму, чтобы скорректировать частотные искажения других участков звукового тракта.

Фазочастотные (фазовые) искажения усилителя оцениваются по его фазочастотной (фазовой) характеристике (ФЧХ), представляющей собой зависимость угла сдвига фазы _К между выходным и входным напряжениями от частоты сигнала.

Идеальными фазовыми характеристиками, при которых фазовых искажений нет, являются прямые, проходящие через начало координат (рис.3.10)

Идеальные фазовые характеристики

+_К

f(или )

-_К

У

Рис.3.10

равнение идеальной фазовой характеристики имеет вид:

_К = -t_зап = -t_зап2f , (3.44)

где t_зап – время запаздывания гармонических составляющих сигнала, которое будет тем меньше, чем меньше наклон фазовой характеристики.

При поступлении на вход усилителя с такой фазовой характеристикой гармонического сигнала с любой частотой 

u_вх=U_m.вх sint (3.45)

на выходе усилителя сигнал будет иметь вид

u_ых=K U_m.вх sin(t + _К) = K U_m.вх sin(t-t_зап). (3.46)

Это означает, что при идеальной фазовой характеристике гармонические составляющие сложного гармонического сигнала независимо от их частоты будут запаздывать на одно и тоже время и, следовательно, форма сложного гармонического сигнала на выходе усилителя не будет отличатся от формы сигнала на его входе, то есть фазовых искажений не будет. Просто сложный гармонический сигнал на выходе усилителя будет запаздывать по времени относительно входного сигнала. Это запаздывание в большинстве случаев не сказывается на работе тех устройств, в состав которых усилитель входит (если же оно будет нежелательным, то принимают меры по его уменьшению).

Реальные фазовые характеристики обычно отличаются от идеальных. Типичная реальная фазовая характеристика имеет вид, показанный на рис.3.11.

Как видно, в области средних частот фазовых сдвигов нет, что объясняется пренебрежимо малым влиянием реактивных составляющих усилителя и инерционности УЭ. В областях же высоких и низких частот появляются фазовые сдвиги, вследствие заметного влияния реактивных элементов усилителя и инерционных свойств УЭ.

Отклонения реальной фазовой характеристики от идеальной и приводят к фазовым искажениям сложного гармонического сигнала, так как при этом время запаздывания отдельных его гармонических составляющих будет различным.

Фазовые характеристики строятся в линейном масштабе по оси частот, что необходимо для правильной оценки фазовых искажений по ним. Поскольку при этом возникают трудности с выбором масштаба, который был бы удобен и для области высоких и для области низких частот, то реальную фазовую характеристику строят отдельно для области высоких частот (от f_ср.ч. до f_в, как показано на рис. 3.12а) и для области низких частот (от f_н=0 до f_{ср. ч.}, как показано на рис. 3.12б), каждую со своим удобным масштабом.

Как видно, в области высоких частот фазовые искажения Ф_в меньше вносимого усилителем на верхней граничной частоте f_в угла сдвига фазы _Кв, а в области же низких частот, где касательная к реальной фазовой характеристике совпадает с осью частот, фазовые искажения Ф_н численно совпадают с вносимым усилителем на нижней граничной частоте угла сдвига фазы _Кн.

Фазовые искажения УЗЧ не нормируются, так как органы слуха не реагируют на них, несмотря на то, что форма сложного гармонического сигнала из-за фазовых искажений изменяется. Что касается усилителей для осциллографов и видеоусилителей, то в них фазовые искажения жестко нормируются, ибо отражаются на форме и качестве изображения.

Надо отметить, что на практике, в отличие от частотных характеристик, фазовыми характеристиками пользуются сравнительно редко, так как вследствие жесткой связи между частотными и фазовыми характеристиками обычно удается обеспечить допустимые фазовые искажения, задав частотную характеристику соответствующего вида. Фазовые характеристики используются в основном в усилителях с обратной связью для определения устойчивости их работы, а также в усилителях фазометрической аппаратуры.

В случае необходимости фазовая характеристика и фазовые искажения могут быть определены не только для самого усилителя, но и для его входной цепи или для усилителя вместе со входной цепью, то есть сразу для сквозного тракта усиления (как это было сделано при оценке частотных искажений). В последнем случае на рис. 3.10, 3.11, 3.12 и формулах 3.44, 3.46 вместо _К и К будут соответственно _К* и К^*.

Особо следует сказать о ФЧХ и фазовых искажениях УПТ и их типичном представителе - ОУ. У них в области низких частот нет причин для фазовых сдвигов между U_вых и U_вх (или Е_ист) и, следовательно, нет фазовых искажений. В области же высоких частот все в принципе обстоит так же, как и в усилителях переменного тока.

Ф

+_Коу(или +_К*оу)

-_Коу(или -_К*оу)

f ()

f_в

Ф_в.оу

Рис.3.13

ЧХ ОУ начинается от f_н=0 и имеет вид (рис. 3.13).

_K.в.оу или _K*.в.оу

В заключение рассмотрения АХЧ и ФХЧ усилителя гармонических сигналов следует отметить, что они могут быть заменены одной частотно-фазовой характеристикой усилителя (или годографом коэффициента усиления усилителя). Годограф строится на основе комплексного выражения для коэффициента усиления по напряжению K=Ke^jК=K(cos_К+jsin_К) или сквозного коэффициента усиления K=Ke^jК*=K(cos_К*+jsin_К*) на комплексной плоскости (или в полярных координатах), откладывая векторы K(или K^*) под углами _К (или _К*) на различных частотах, как показано на рис. 3.14. и представляет кривую, описываемую концом вектора K (или K^*) на этой плоскости при изменении частоты сигнала от 0 до .

Частотно-фазовая характеристика показывает изменения с частотой как модуля коэффициента усиления К (или К^*), так и его аргумента _К (или _К*). Она удобна для оценки устойчивости работы усилителей с отрицательной обратной связью, о чем будет говориться дальше в главе, посвященной обратной связи в усилителях. Для оценки же частотных и фазовых искажений усилителя она не используется, ибо недостаточно наглядна для этого.

В импульсных усилителях линейные искажения усиливаемых импульсов называют переходными искажениями, так как они обусловлены переходными процессами установления токов и напряжений в цепях усилителя, возникающих из-за инерционности УЭ и из-за реактивных составляющих сопротивлений усилителя.

Их оценивают по переходной характеристике (ПХ) усилителя, представляющей собой зависимость от времени мгновенного значения напряжения (или тока) сигнала на выходе усилителя u_вых (t) при воздействии на его вход единичного мгновенного скачка напряжения (или тока), описываемого известной единичной функцией u_вх(t)=1(t) при t>0 (и u_вх(t)=0 при t<0).

На рис. 3.15 представлены сплошными линиями единичная функция u_вх(t)=1(t) и в общем виде две наиболее типичные реальные ПХ усилителя переменного тока, различающиеся характером нарастания скачка выходного напряжения, зависящего от параметров усилителя (на рис. 3.15,а – ПХ с плавным нарастанием скачка до установившегося значения u_{вых.уст.}, а на рис. 3.15, б – ПХ с колебательным процессом, затухающим до установившегося значения u_{вых.уст.}). Штрих-пунктирной линией на рис. 3.15 показана идеальная ПХ усилителя, которая была бы при отсутствии реактивных элементов в усилителе.

Как видно, в выходном сигнале искажены начало (фронт) и плоская вершина скачка, то есть фронт нарастает в течение определенного времени до установившегося значения u_{вых.уст.}=К^.u_вх(t), которое затем спадает с течением времени (здесь К – коэффициент усиления по напряжению).

В импульсных усилителях процесс установления фронта импульса обычно происходит за очень короткое время, много меньшее длительности импульсов. В связи с этим попытки показа искажений фронта и вершины импульса на одной ПХ сопряжены с большими трудностями в выборе масштаба по оси времени, который был бы удобен для изображения и тех и других искажений. В этом смысле ПХ на рис. 3.16 а,б показаны в утрированном виде. Поэтому для оценки искажений фронта импульса и вершины импульса пользуются переходными характеристиками с разными масштабами времени.

Оценку искажений фронта импульса проводят по ПХ с сильно растянутым масштабом времени, называемой ПХ в области малых времен, а сами искажения фронта импульса называют переходными искажениями в области малых времен (рис. 3.16).

На рис. 3.16 искажения вершины импульса не показаны из-за сильно растянутого масштаба времени: их здесь еще нет, они появятся позже.

Искажения фронта оценивают временем установления фронта t_у и выбором фронта импульса (рис. 3.16). За время установления фронта импульса t_у принимают время, за которое фронт нарастает от уровня 0,1 U_{вых.уст.} до уровня 0,9 U_{вых.уст.}, то есть

t_у = t₂-t_1. (3.47)

Выброс фронта оценивают относительным превышением максимального напряжения фронта над установившимся значением выходного напряжения

. (3.48)

Кроме этих основных оценок переходных искажений в области малых времен применяют еще и время задержки t_з, за которое фронт импульса нарастает от уровня 0,1u_{вых.уст.} до уровня 0,5u_{вых.уст.}, то есть t_з=t_з-t₁ (см. рис. 3.16).

Время установления t_у, время задержки t_з и выброс фронта  импульсных сигналов обусловлены влиянием инерционности УЭ и реактивных составляющих нагрузки усилителя, то есть теми же элементами, которые в гармонических сигналах вызывают частотные и фазовые искажения в области высоких частот. В этом смысле говорят, что переходные искажения импульсных сигналов в области малых времен эквивалентны частотным и фазовым искажениям гармонических сигналов в области высоких частот.

На осциллографе искажения фронтов импульсов наблюдают и оценивают при кратковременных импульсах. В порядке иллюстрации на рис. 3.17,а,б показаны искажения передних и задних фронтов импульсов на выходе усилителя, как они выглядят на экране осциллографа, при подаче на вход усилителя переменного тока последовательности кратковременных однополярных прямоугольных импульсов со скважностью равной двум. Импульсы рис. 3.17,а соответствуют ПХ на рис. 3.16,а, а импульсы рис.3.17,б соответствуют ПХ на рис. 3.16,б. Время установления t_у, время задержки t_з и выброс фронта  у передних и задних фронтов импульса получаются одинаковыми, если в усилителе нет нелинейных искажений.

t

б)

t

t

а)

u_вых(t)

u_вх(t)

u_вых(t)

T

Рис.3.17

О

Рис.3.18

t

ценку искажений вершины импульса проводят по ПХ с сильно сжатым масштабом времени, называемой ПХ в области больших времен, и сами искажения вершины импульсов называют переходными искажениями в области больших времен. На рис. 3.18 показаны три возможных вида ПХ усилителя переменного тока в области больших времен (а,б,в). Их вид определяется параметрами импульсного усилителя.

На рис. 3.18 а,б,в искажения фронта не показаны из-за сильно сжатого масштаба времени: область малых времен и область установившегося режима здесь сливаются с осью ординат.

Искажения вершины импульса оценивают относительной величиной изменения выходного напряжения усилителя  за длительность импульса Т, которое в случае ПХ вида рис. 3.18,а называется спадом и будет:

а) ; (3.49)

в случае же ПХ вида рис. 3.18,б называется подъемом и будет

б) ; (3.50)

в случае же ПХ вида рис. 3.18,в с подъемом и спадом будет

в) . (3.51)

На осциллографе искажения вершины импульса наблюдают и оценивают при импульсах большой длительности. В порядке иллюстрации на рис. 3.19 показаны искажения вершины импульсов на выходе усилителя переменного тока с ПХ рис. 3.18,а, как они выглядят на экране осциллографа, при подаче на вход усилителя последовательности однополярных прямоугольных импульсов большой длительности со скважностью равной двум. Как видно, на выходе усилителя, после окончания каждого поданного на его вход прямоугольного импульса, возникает напряжение противоположной полярности u_{вых.обр.}, убывающее в паузе до нуля.

Это обратный выброс импульса. Он характеризуется величиной _обр., представляющей собой относительную величину максимального напряжения противоположной полярности

. (3.52)

Обратный выброс импульса обусловлен спадом вершины импульса и дополнительно характеризует переходные искажения импульса в области больших времен. Он численно равен спаду вершины импульса, если в усилителе нет нелинейных искажений.

Спад (подъем) вершины импульса и обратный выброс импульса обусловлены влиянием реактивных элементов связи в усилителях (конденсаторов и трансформаторов связи), то есть теми же элементами, которые вызывают частотные и фазовые искажения гармонических сигналов в области низких частот. Поэтому говорят, что искажения вершины импульсов, то есть переходные искажения импульсных сигналов в области больших времен, эквивалентны частотным и фазовым искажениям гармонических сигналов в области низких частот.

Выше были рассмотрены ПХ и переходные искажения усилителя переменного тока без учета его входной цепи. В случае необходимости ПХ и переходные искажения могут быть определены для усилителя вместе с его входной цепью. Для этого во всех приведенных выше рассуждениях вместо u_вх.(t) и К следует брать е_ист.(t) и К^*. Тогда все ПХ и переходные искажения будут сквозными.

Для получения сквозных ПХ и переходных искажений можно пойти и другим путем. В дополнение к ПХ и переходным искажениям самого усилителя найти ПХ и переходные искажения его входной цепи, а затем результирующие (сквозные) ПХ и переходные искажения:

, (3.53)

. (3.54)

Для многокаскадного усилителя эти выражения могут быть записаны в виде:

, (3.55)

, (3.56)

где n – число каскадов усилителя.

Следует отметить, что выражения (3.53) и (3.55) относятся к искажениям фронтов без колебательного процесса. При колебательном характере искажений фронтов и отдельных звеньев тракта усиления фактическое значение t_у^* будет несколько меньше. Что касается выражений (3.54) и (3.56), то они относятся к случаям, когда  отдельных звеньев тракта усиления не превышают примерно 10%.

В усилителях постоянного тока (УПТ), в том числе в операционных усилителях (ОУ), в отличие от рассмотренных выше усилителей переменного тока переходная характеристика (ПХ) в области больших времен совпадает с идеальной ПХ и, следовательно, спада (подъема) вершины импульса нет. Это объясняется отсутствием в них тех реактивных элементов, которые в усилителях переменного тока вызывают эти переходные искажения. В области же малых времен ПХ УПТ и ОУ совпадают с переходными характеристиками усилителей переменного тока.

Переходные искажения импульсных сигналов в видеоусилителях приводят к ухудшению четкости изображения на экране телевизора, так как время установления t_у и выбросы фронтов  импульсов приводят к размытости и многоконтурности границ элементов изображения, а неравномерность вершины импульсов  приводит к неравномерности яркости изображения крупных одинаково освещенных объектов по вертикали экрана.

Переходные искажения импульсных сигналов в усилителях для осциллографа приводят к погрешности в оценке исследуемых импульсов, а в усилителях импульсных каналов связи – к повышению вероятности ошибки при приеме цифровых сигналов и т.д.

Поэтому переходные искажения импульсных усилителей жестко нормируются. Их допустимые значения зависят от назначения усилителей и предъявляемых к ним требованиям. Например, у видеоусилителей t_у не должно превышать (0,5…0,7) от длительности наименьших элементов телевизионного изображения,  - не более (5…10)%, а  < (5…10)%, у усилителей для осциллографов t_у не более (0,3…0,5) от наименьшего времени установления исследуемых импульсов,  - не более (1…2)%, а < (2…3)%.

В заключение раздела о линейных искажениях следует еще раз особо отметить, что процессы, протекающие в усилителях, можно описывать как с помощью АЧХ и ФЧХ, так и с помощью ПХ. Выбор метода определяется типом усилителя. Метод АЧХ и ФЧХ удобен при описании свойств усилителя гармонических сигналов, поскольку гармонические сигналы характеризуются спектром сигналов. Метод ПХ удобен при описании свойств усилителя импульсных сигналов, поскольку ПХ естественным образом непосредственно характеризует искажения импульсов. Между АЧХ и ФЧХ с одной стороны и ПХ с другой стороны существует достаточно жесткая однозначная связь, позволяющая по известным частотным и фазовым характеристикам и искажениям найти переходную характеристику и переходные искажения усилителя и наоборот. Действительно, выражение, характеризующее зависимость коэффициента усиления от частоты, то есть уравнение частотной характеристики усилителя, может быть преобразовано в операционное изображение, оригиналом которого является уравнение переходной характеристики и т.д. При увеличении полосы усиливаемых частот усилителя в области верхних частот, то есть при увеличении верхней граничной частоты f_в, будут уменьшаться время установления t_у и задержки t_з фронтов импульсов, то есть будут уменьшаться искажения фронтов импульсов, а при увеличении полосы пропускания частот усилителя в области нижних частот, то есть при уменьшении нижней граничной частоты f_н, будут уменьшаться искажения вершины импульса , которые при f_н=0 вообще исчезнут.

Можно говорить, что область малых времен ПХ эквивалентна области верхних частот АЧХ и ФЧХ, область больших времен ПХ эквивалента области низких частот АЧХ и ФЧХ, а область установившегося режима ПХ эквивалентна области средних частот АЧХ и ФЧХ.

Разработаны методы для нахождения ПХ по АЧХ и ФЧХ и наоборот как по их уравнениям, так и по экспериментальным графикам. Особый интерес представляет метод определения переходных искажений по известному уравнению или графику АЧХ, поскольку это позволяет обеспечить требуемые переходные искажения заданием АЧХ определенного вида, что упрощает расчеты.