НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Нелинейные искажения – это изменения формы колебания, обусловленные нелинейностью характеристик транзисторов, диодов, магнитопроводов, полупроводниковых конденсаторов микросхем и других элементов. Параметры нелинейных элементов зависят от воздействующего на них тока или напряжения. Отличительным признаком нелинейных искажений является то, что им подвержено даже гармоническое (синусоидальное) колебание. На этом и основана их простейшая количественная оценка с помощью коэффициента гармоник. Если на вход усилителя подать чисто гармоническое напряжение, то на выходе получим не только его первую гармонику, но и высшие.

Коэффициентом гармоник называется отношение действующего (эффективного) значения суммы высших гармоник выходного напряжения к действующему значению его первой гармоники:

(1.4)

Здесь U₁, U₂, U₃ и т. д. – действующие значения напряжений отдельных гармоник выходного напряжения. Результат не изменится, если в эту формулу подставить не действующие, а амплитудные значения, причем вместо напряжений можно оперировать токами. Иногда используют коэффициенты отдельных гармоник, например второй: K_Г2=U₂/U₁=I₂/I₁.

В звуковых сигналах нелинейные искажения воспринимаются как хрип или дребезжание. При K_Г<2…3% они почти не заметны на слух. Однако в высококачественных усилителях звуковых частот обеспечивают коэффициент гармоник K_Г<0,2%, а в усилителях многоканальной связи – сотые и тысячные доли процента (во избежание взаимных помех каналов). Малые нелинейные искажения оценивают так называемым затуханием нелинейности а_г, выражаемым в децибелах: а_г, дБ=20 lg (1/ K_Г). Часто нормируют затухание нелинейности отдельно по второй и третьей гармоникам:

а_г2=20 lg (U₁/U₂), а_г3=20 lg (U₁/U₃).

Во всяком усилителе нелинейные искажения увеличиваются при приближении амплитуды выходного напряжения к максимально возможному значению. Выходное (и входное) напряжение, при котором коэффициент гармоник усилителя равен заданному допустимому значению, называется номинальным. Номинальной называется и соответствующая выходная мощность P_{вых ном}=U²_{вых ном}/R_н.

При усилении сложных сигналов возникают не только гармоники спектральных составляющих, но и их комбинационные частоты. На слух последние более заметны, так как в отличие от гармоник являются вновь возникшими составляющими. Поэтому для высококачественных усилителей звуковых частот измеряют также интермодуляционные искажения, подавая на вход два синусоидальных колебания с сильно различающимися частотами (f₁ и f₂> f₁) и вчетверо различающимися амплитудами, причем амплитуда колебания частоты f₁ берется на 12 дБ, а частоты f₂ - на 24 дБ меньше номинальной (ГОСТ 23849-87). Количественной мерой искажений является отношение суммарного напряжения комбинационных составляющих к напряжению частоты f₂ на выходе усилителя.

При усилении импульсных сигналов прямоугольной формы нелинейность усилителя не приводит к искажению формы отдельных импульсов, но изменяет соотношение их амплитуд (если они не равны). При усилении пилообразных импульсов их форма искажается. Для оценки степени нелинейности импульсных усилителей используют коэффициент нелинейности K_нел. Он равен относительному изменению крутизны нарастания выходного напряжения усилителя при подаче на его вход линейно нарастающего напряжения максимальной амплитуды, пропускаемой усилителем.