Искажения сигнала в усилителе

Идеальное усиление заключается в точном воспроизведении формы входного сигнала на выходе, например:

Допускается задержка выходного сигнала на время t :

Отклонение формы выходного колебания U_вых или i_вых от входного называется искажениями. В зависимости от причин появления различают нелинейные и линейные (частотные) искажения.

Нелинейные искажения

проявляются в том, что при усилении синусоидального колебания

U(t) = U₀ +

выходной сигнал отличается от синусоидальной формы: в нем кроме гармонического колебания с частотой  (усиленного полезного сигнала), содержатся гармоники с частотами кратными основной , т.е. 2 , 3 , 4... . При усилении сложного сигнала, спектр которого содержит различные частотные составляющие, на выходе усилителя изменяется спектральный состав.

Нелинейные искажения возникают из-за нелинейности амплитудной (передаточной) характеристики. Эта нелинейность обусловлена нелинейными вольт-амперными харак­теристиками элементов схемы. Она сильнее проявляется при увеличении амплитуды усиливаемого сигнала.

k_ни – коэффициент нелинейных искажений

k_ни =

P_i – мощность гармоник выходного сигнала

P₁ – основная частота (гарм.).

Нелинейные искажения в усилителе уменьшаются выбором рабочего режима с наибольшим линейным усилением, использованием высококачественных элементов, использованием обратных связей. Нелинейные искажения никак не связаны с частотой сигнала, а зависят от его амплитуды и формы амплитудной характеристики усилителя. В многокаскадном усилителе нелинейные искажения возникают в основном в выходном каскаде.

Линейные (частотные) искажения

Комплексный коэффициент усиления

Здесь - комплексная амплитуда входного сигнала

U_вх(t)=U_вх.mcos(t+₁);

- то же, выходного сигнала:

U_вых(t)=U_вых.mcos(t+₂),

K()=U_вых.m/U_вх.m - модуль коэффициента усиления ;

()=₂-₁ – фазовый сдвиг

Для оценки неравномерности АЧХ используют коэффициент частотных искажений

K() - на рассматриваемой частоте, K₀ – на некоторой “средней” частоте ₀.

Рабочую частоту частот с заданной неравномерностью усиления определяют нижней граничной _н и верхней граничной _в частотами. Обычно допустимый спад усиления принимают равным (т.е. -3 Дб).

По ширине полосы частот различают

• избирательные ( узкополосные ) усилители _в - _н <<₀ ;

• широкополосные усилители _в>>_н.

Особо выделяют усилители постоянного тока: _н = 0

При анализе усилителя на АЧХ различают 3 области частот: нижние, средние и верхние.

Фазовые искажения хотя и не изменяют спектральный состав сложного сигнала или соотношение амплитуд гармонических составляющих, но вызывают изменение формы сигнала из-за различных фазовых сдвигов у отдельных составляющих после прохождения через усилитель. Фазовый сдвиг () на частоте  соответствует задержке гармонии на время ()/ :

cos(t-) = cos(t-/)

Поэтому фазовые искажения в усилителе будут отсутствовать не только тогда, когда нет фазовых сдвигов, но и в том случае, если фазовый сдвиг пропорционален частоте. При этом весь сигнал, сохранив свою форму , будет задержан на некоторое время. Причины фазовых искажений те же, что и частотных.

Стабильность рабочей точки

Стабилизация рабочей точки – важнейшая задача при проектировании транзисторных каскадов. При смещении точки покоя (I_к.0 и U_к.э.0) изменяются дифференциальные параметры транзистора, могут появиться нелинейные искажения.

Основные причины нестабильности тока I_к.: температурные изменения теплового тока I_к.б0, напряжения на эмиттерном переходе U_б.э. и интегрального коэффициента передачи тока  (или ).

Полное приращение тока коллектора:

,

Выражение называется коэффициентом нестабильности.

При повышении Т⁰К все слагаемые в скобках одного знака: I_к.б.0 и  растут, а входная характеристика смещается “влево”: U_б.э = Т , где -1.5мВ/град.

Минимальный коэффициент нестабильности S_min=  при _б =1, т.е. R_Э>>R_Б, максимальный S_max=  при _б =0, т.е. R_б>>R_э. Обычно удовлетворяются соотношениями R_э/ R_б=0,5...1, при этом _б =0,3...0,5 ; S = 2..3 (т.е. S1/_б).