напряжения (тока) при действии на входе усилителя синусоидального сигнала (рис. 21.4). При <р>0 выходное напряжение опережает входное. Если ф<;0, выходное напряжение отстает от входного. Если все гармоники сложного сигнала сдвигаются усилителем на одинаковое время, т. е. угол сдвига фаз, вносимый усилителем, пропорционален частоте, то форма выходного сигнала повторяет форму входного без искажений.

ФЧХ, не создающая искажений формы сигнала, представляет собой линейную зависимость фазового сдвига от частоты ф(©) = = -зОз=-42я/ (см. штриховую прямую на рис. 21.4). Углом наклона этой линии определяется групповое время запаздывания-is. сигнала на выходе усилителя. Если прямая пропорциональность нарушается, т. е. ФЧХ нелинейна, то различные спектральные составляющие входного сигнала будут запаздывать на различное время и форма выходного сигнала будет искажаться. Нелинейные искажения формы сигнала вызываются нелинейностью характеристик элементов усилителя. В первую очередь эти искажения обусловлены нелинейностью ВАХ УЭ и диодов особенно в оконечных каскадах. Сказывается также нелинейность ин--дуктивностей в катушках с фер--ромагнитными сердечниками и полупроводниковых конденсаторов интегральных микросхем. В меньшей мере сказывается нелинейность характеристик намагни-"чивания сердечников трансформаторов и дросселей.

Если на нелинейную ВАХ УЭ (рис. 21.5) действует синусоидальное напряжение С/вх с часто-

Рис. 21.5. Вольт-амперная характеристика УЭ

Рис. 21.6. Влияние. нелинейности вольт-амперной характеристики на форму выходных сигналов

Вых. мин

Bx.мut

Вх.нпм Ugx

Рис. 21.7. Амплитудная характеристика усилителя

той /, то форма выходного тока i становится несинусоидальной (неравны полуволны тока). Выходной ток является периодической несинусоидальной функцией времени, поэтому в нем содержатся гармоники основной частоты вида 2/, 3/, 4/,- которых не было в спектре входного сигнала. В этом отличие нелинейных искажений от линейных, при которых в выходном сигнале нет новых составляющих тока.

Чем больше нелинейность характеристик элементов усилителя, тем больше гармоник и комбинационных частот в его выходном сигнале, влияющих на характер звучания (возникают трески, речь становится хриплой, снижается разборчивость).

Нелинейность усилителя гармонических сигналов оценивают коэффициентом гармоник Кт, под которым понимают отношение усредненной квадратичной суммы высших гармоник к первой гармонике, т. е. отношение действующего значения всех высших гармоник к действующему значению первой гармоники тока (%)

г= (/I+TTrT7I i) 100 = (/ + +-•••+ LMm) 100,

(21.10)

где In - действующие значения гармоник тока; fnm - амплитудные значения соответствующих гармоник напряжения.

Влияние гармоник выше третьего порядка на форму выходного сигнала невелико и их часто не учитывают. Если коэффициент гармоник очень мал, его выражают в логарифмических единицах. При этом вводят понятие затухания нелинейности по соответствующим гармоникам.

Затухание нелинейности по 2-й и 3-й гармоникам:

ar2 = 201g-=201g--;; fl,3 = 23 1g- = 20 1g-. (21.11)

Допустимая величина kr зависит от назначения усилителя. В усилителях звуковых частот нелинейные искажения на слух незаметны, если йг<0,2-0,5%. Для усилителей среднего качества r=3-f-4%, а высшего kr<0,5%. Минимальный должен быть в групповых усилителях многоканальной связи. При большой нелинейности искажается информация как в отдельных каналах, так и H3-3ia наличия высших гармоник; создаются дополнительные помехи в других каналах.

В таких усилителях затухание нелинейности по 2-й гармонике достигает 80 дБ (A:r2=/2 i = f/2m/f/im0,0001), а по 3-й -100 дБ (гз~ 0,00001).

Искажения импульсных сигналов. Форма импульсных сигналов разнообразна. В спектре каждой импульсной последовательности содержатся высшие гармоники. Содержание гармоник зависит от формы сигнала. Влияние нелинейности ВАХ УЭ на сигналы разной формы неодинаково (рис 21.6). Так, пилообразные импульсы заметно искажаются уже при небольшой нелинейности. Искажение прямоугольных импульсов несущественно даже-при сильно нелинейных ВАХ.

в этих условиях оценка нелинейности усилителей импульсных сигналов по kr неэффективна. Поэтому при усилении импульсных сигналов предпочитают оценивать непосредственно нелинейность БАХ УЭ, определяя коэффициент нелинейности

нел = (макс - мин)/макс > (21.12)

где S=di/du-крутизна характеристики;

-5макс и Smiiii - максимальное и минимальное значение крутизны для полного размаха импульсов.

Амплитудная характеристика (АХ) усилителя представляет собой зависимость выходного напряжения сигнала от входного (рис. 21.7) при воздействии на вход усилителя гармонического колебания постоянной частоты. Штриховой линией изображена идеальная АХ. Реальная АХ совпадает с идеальной лишь в области средних значений напряжений (участок АВ). При больших значениях входного напряжения f/вх> С/вх макс, область за точкой (ВАХ искривляется из-за нелинейности характеристик элементов усилителя. Изгиб АХ при малых напряжениях (С/вх< С/вх мин, область до точки Л) возможен за счет напряжения собственцых помех Un в выходной цепи. При отсутствии сигнала помехи маскируют слабый сигнал. Для нормальной работы усилителя минимальное выходное напряжение С/выхмин должно в несколько раз превышать напряжение помех. В диапазоне напряжений С/вх мин-С/вх макс усилитель линеен.

Динамический диапазон усилителя характеризуется отношением •максимального к минимальному значению входных напряжений

Лу=ивкмакс/т.ит ИЛИ Лу (дБ) = 201g (С/вхмакс/вхмнн).

усиливаемых усилителем без чрезмерных помех и искажений. Минимальное напряжение сигнала на входе усилителя ограничивается его собственными шумами или уровнем помех, а максимальное- искажениями, которые возникают вследствие нелинейности характеристик элементов усилителя. Если шумы являются основными помехами в усилителе, то

Ду = £вхмакс/УпС/5!Ш.вх. (21.13)

где Vn=t/BxM4ii/t/j, ш.вх - коэффициент помехозащищенности.

Отношение сигнал/шум определяет предельно достижимый динамический диапазон усилителя. Для лучших усилителей Ду >120 дБ.

В рабочем состоянии э.д.с. источника сигнала изменяется от минимального Еимян до максимального имакс значения. Отношение Еимакс/£имин=Дс ИЛИ Дс (дБ)=201дДс называют динамическим диапазоном сигнала.

Динамический диапазон звучания симфонического • оркестра 80 дБ, художественного, чтения -30 дБ. Если Дс>Ду, возникают искажения. Для работы с допустимыми нелинейными искажениями и помехозащищенностью необходимо, чтобы ДуДс- Увеличение Ду достигается путем уменьшения уровня собственных по-