Амплитудная характеристика усилителя. Нелинейные искажения

Рассмотрим усиление синусоидального (гармонического) сиг­нала. Для того чтобы форма сигнала при усилении не изменялась,коэффициент усиления должен быть оди­наков для различных напряжений в пре­делах изменения входного сигнала.

В этом случае зависимость U_{вых m} =f(U_{вх m}), называемая амплитудной ха­рактеристикой усилителя, имеет ли­нейный вид и_выкт = kU_{вх m} (рис. 18.2; прямая линия). На самом деле линейная зависимость выполняется в ограничен­ной области изменения входного напряжения, при выходе за пределы этой области линейность зависимос­ти нарушается (штриховая линия).

Если входной гармонический сигнал выйдет за пределы линей­ной части амплитудной характеристики, то выходной сигнал уже не будет гармоническим. Возникнут нелинейные (амплитудные) искажения.

Графически усиление гармонического (синусоидального) сигна­ла иллюстрируется рис. 18.3 без искажения (а) и с искажением (б).

Каждый из этих рисунков содержит три графика. На одном (оси Uвх и Uвых) показана амплитудная характеристика: линейная (а) и нелинейная (б). На нижнем графике приведена зависимость вход­ного напряжения от времени. Эта зависимость синусоидальная, но сдвинутая относительно U_Bх = 0 на некоторую постоянную величи­ну. График расположен необычно (ось времени t идет вертикально), так как используется общая ось U_BX с предыдущей зависимостью. На левом графике дана временная зависимость выходного напря­жения. Здесь тоже ось U_BbIX принадлежит двум графикам. Этот гра­фик строится следующим образом. Из нижнего графика находят значения U_BX для некоторых фиксированных моментов времени, затем по амплитудной характеристике устанавливают соответст­вующие значения U_вх и переносят их на левый график (штрихо­вые линии; точки с одинаковыми символами соответствуют одному и тому же времени).

На рис. 18.3 масштаб по оси ординат для U_Вых больше, чем по оси абсцисс для U_BX (сигнал усиливается).

На графиках зависимости U_вых = f(t) в случае линейной ампли­тудной характеристики (а) видна синусоида; следовательно, усиленный сигнал не искажен. При нелинейной характеристике (б) выходной сигнал периодический, но не синусоидальный; следова­тельно, происходит искажение сигнала при усилении. Периодиче­ский сигнал может быть представлен суммой гармоник (см. § 5.4), поэтому нелинейные искажения можно рассматривать как появ­ление новых гармоник в сигнале при его усилении. Чем больше новых гармоник, чем выше их амплитуда, тем сильнее нелиней­ные искажения, что оценивается коэффициентом нелинейных искажений

где U_lm — амплитуда напряжения основной гармоники, U_2m, U_3m... — амплитуды новых гармоник. Для точного воспроизведе­ния сигнала коэффициент у, очевидно, должен быть минимален.