и Mb - коэффициенты частотных искаясений чае, если фазо-частотная характеристика иа низшей и высшей граничных частотах. линейна (рис. 10-3, а). На практике линей-В зависимости от предъявляемых к усили- ную форму имеет лишь ограниченный уча-телю требований значения Мп и Мв выби- сток фазо-частотной характеристики раются в пределах от 1,4 до 3-5. Если ве- (рис. 10-3,6). Под фазовыми искажениями личины Мп и Мв не оговариваются, то принято понимать отклонение фазо-частот-

.. Мв . .

обычно предполагают Ми=Мв=>2 (снижение усиления на 3 дб).

Рис. 10-3. Фазо-частотные характеристики.

а = идеального усилителя, не вносящего фазовых искажений; б - реального усилителя.

У корректирующих усилителей, предназначенных для исправления амплитудно-частотных искажений других звеньев тракта или для подчеркивания и ослабления определенных составляющих усиливаемого сигнала, заранее предусматривается неравно-

Юкгц

Рис. 10-4. Амплитудно-фазовая характеристика коэффициента усиления.

мерная амплитудно-частотная характеристика (например, рис. 10-2, в) или возможность ее регулирования (рис. 10-2, г). При этом граничные частоты fs и должны характеризовать область частот, в пределах которой отклонения реальной характеристики от заданной не превышают определенной величины (например, 3 дб).

Для видеоусилителей не менее важной является фазо-частотная характеристика. Для сохранения формы сложных колебаний не обязательно требовать пренебрежимо малые фазовые сдвиги во всей полосе частот, присутствующих в этих колебаниях. Достаточным условием является прямая пропорциональность фазового сдвига частоте, так как при этом все гармонические составляющие претерпевают одинаковую временную задержку, причем выходной сигнал лишь сдвигается во времени относительно входного. Такое условие выполняется в том слу-

ной характеристики в заданной полоса частот от линейной.

Сведения, содержащиеся в амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристиках, сочетает в себе амплитудно-фазовая характеристика (рис. 10-4), представляющая собой годограф вектора коэффициента усиления К (/со) в комплексной плоскости при изменении частоты со от нуля до бесконечности. Длина радиуса-вектора этой характеристики указывает величину модуля коэффициента усиления К (со), а угол, образуемый вектором с положительным направлением вещественной оси, - аргумент ф(со). Для установления связи модуля и аргумента коэффициента усиления с частотой на амплитудно-фазовой характеристике отмечают ряд точек, соответствующих определенным частотам.

Переходная характеристика

Наряду с частотными характеристиками, опирающимися на метод гармонического анализа, для определения искажений формы сложного колебания применяются переходные характеристики, иллюстрирующие форму выходного напряжения или тока при воздействии на вход усилителя скачка напряжения или тока (рис. 10-5).

Переходные искажения состоят в задержке выходного сигнала на некоторое время запаздывания ts, в уменьшении крутизны фронта, из-за чего появляется конечное время нарастания tn, и в постепенном спаде вершины, который можно охарактеризовать бременем спада tc. При расширении полосы

Рис. 10-5. Переходная характеристика усилителей.

а - постоянного тока; б - переменного тока.

усиливаемых частот в область более высоких частот уменьшаются искажения фронта (сокращаются времена ts и н), а при понижении нижней граничной частоты уменьшается спад вершины (возрастает время с)-У усилителей постоянного тока (fh=0) пе-

реходная характеристика не обнаруживает спада вершины (с=Таким образом, между переходной и частотной характеристиками имеется жесткая связь.

Применяются различные критерии отсчета времен 3, н, с- В импульсной технике время запаздывания з обычно отсчитывают до момента, пока выходной сигнал не достигнет 0,5 своего максимального значения, а времена нарастания и спада - между уровнями 0,1-0,9 на переднем и заднем фронтах соответственно. В других случаях, в частности для транзисторных схем, отсчет времени 4 производится на уровне 0,1. Наконец, при условии, что переходная характеристика легко аппроксимируется экспонентами, вместо времен и tc yjao вводить соответствующие этим экспонентам постоянные времени, а время з отсчитывать до момента начала экспоненты, су1исывающей нарастание (рис. 10-5).

Аналитическое выражение переходной характеристики при единичном скачке входного напряжения А/вх = 1 в (же) или тока Д/вх = 1 а(ма, мка) называется переходной функцией и обозначается h{t). Отношение h(t)/Ko=h*(t) называется нормированной переходной функцией (характеристикой).

Переходная функция или ее параметры ts, ts и tc непосредственно характеризуют искажения прямоугольных импульсов и потому широко применяются вместо частотных характеристик для описания качества импульсных усилителей. В сочетании с интегралом Дюамеля (см. § 5-2) переходная функция позволяет определить форму выходного сигнала усилителя при любой форме входного сигнала.

Уровень усиливаемых сигналов, амплитудная характеристика, нелинейные искажения

В наиболее общем виде уровень электрического сигнала описывается его мощностью. Абсолютные значения мощности входного и выходного сигналов усилителя характеризуют его чувствительность и выходную мощность соответственно. При фиксированных значениях входного сопротивления усилителя /?вх и сопротивления нагрузки Rii с мощностями однозначно связаны напряжения и токи входного и выходного сигналов.

Сопоставление уровней сигналов на входе и выходе усилителя в децибелах безусловно справедливо при использовании коэффициента усиления по мощности:

Усиление в децибелах = 10 Ig Кр , (10-10)

а перевод в децибелы отношений напряжений или токов - лишь при учете соотношений между сопротивлениями Ry и Rl.

Усиление в децибелах - 20 Ig Кц + 10ig-!L 201g/Ci-bl01g-. (10-11)

вх вх

в редких случаях бывает Rm=Riik (например, у согласованных с волновым сопротивлением линии промежуточных усилителей в системах дальней связи), тогда второй член обращается в.нуль и

20lgKc/ = 201gK/ = 101gKp.

При достаточно низком уровне входного сигнала любой усилитель обладает свойствами линейной электрической цепи и амплитуда выходного напряжения прямо пропорциональна амплитуде входного напряже-

Рис. 10-6. Амплитудная характеристика усилителя (а) и зависимость коэффициента нелинейных искажений от выходной мощности (б).

ния (коэффициент усиления не зависит от величины сигнала). В связи с наличием нелинейных свойств у всех усилительных приборов по мере увеличения входного сигнала прямая пропорциональность между амплитудами входного и выходного напряжений нарушается, коэффициент усиления начинает зависеть от величины усиливаемого сигнала. Зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) при синусоидальной форме входного сигнала называется амплитудной характеристикой (рис. 10-6, а).

Во многих случаях амплитудная характеристика оказывается слишком грубым средством оценки линейности усилителя и вводится представление о коэффициентах нелинейных искажений, зависящих от уровня сигнала.

При воздействии на вход усилителя одного чисто синусоидального сигнала мерой нелинейности является коэффициент гармонических искаокений - выраженное в процентах отношение среднеквадратичного значения амплитуд высших гармоник (Лг, Лз...) к амплитуде колебания основной частоты (Л]) на выходе усилителя:

Кт= 100-

(10-12)

В зависимости от схемЫчИ режима работы усилителя в выходном сигнале могут преобладать либо четные (г=2, 4...) либо нечетные (г=3, 5...) гармоники, но так или иначе с увеличением номера амплитуда гармоник убывает. Поэтому часто ограничиваются учетом наиболее значительных первых двух-трех высших гармоник.

Наряду с общим коэффициентом гармонических искажений рассматривают частичные коэффициенты второй, третьей и т. д. гармоник:

Кг = т; (10-12а)

/Сгз=100

(10-126)

и т. д.

при повыщении уровня усиливаемого сигнала коэффициенты гармонических искажений возрастают (рис. 10-6,6), но в некоторых случаях эта зависимость может быть немонотонной (штриховая линия на рис. 10-6,6).

При подаче на вход усилителя нескольких синусоидальных колебаний различных частот fu fs, ft что в некотором смысле равноценно воздействию колебания сложной формы, нелинейность усилителя приводит к появлению в выходном сигнале отсутство-вавщих во входном сигнале колебаний комбинационных частот типа

kfi ± If2; mfi ± nfs, ph ± 4h

где k, I, m, Й, p, q - целые числа (1, 2, 3 ...). В ряде случаев подобные новообразования бывают более вредными, чем появление гармоник. Для их описания вводится коэффициент интермодуляционных искажений, или коэффициент взаимной модуляции. При этом рассматривается воздействие на вход усилителя только двух чисто синусоидальных колебаний различных частот fi и 2 (обычно fi выбирается в районе низших усиливаемых частот, а f - в районе высших, так что fa fi). Обусловливается также отношение амплитуд обоих колебаний, например Л]:/42=4, При этом интермодуляционные

о f, Щ Л5 частоты f,

Рис. 10-7. Спектр входного сигнала (а) и сигнала иа выходе усилителя (б) при наличии ннтермодуляцноииых искажений.

искажения проявляются в форме амплитудной модуляции более высокочастотного колебания основной частотой и гармониками низкочастотного колебания (рис. 10-7), т. е. появляются комбинационные колебания с частотами

являющимися боковыми частотами высокочастотного колебания 2-

Коэффициентом интермодуляционных jhc-кажений называют выраженное, в процентах отношение среднеквадратичной амплитуды колеба иА боковых частот к амплитуде высокочастотного колебания на выходе усилителя:

Ки = 100 X

. (10-13)

Шумы, феи

В отсутствие входного сигнала на выходе усилителя можно обнаружить конечное напряжение шумов.

У усилителей низкой частоты, питаемых от сети переменного тока, этот шум зачастую представляет собо пульсации с частотой напряжения сети (fc) и ее гармониками (2Рс, ЗРс ...) - так называемый фон переменного тока. Уровень фона определяют отношением его действующего напряжения на выходе усилителя к действующему напряжению выходного сигнала при максимальном уровне:

Кф = - (10-14)

и выражают либо в процентах (100 Кф), либо отрицательным числом децибел (20 lgKф).

Если приняты меры, предотвращающие появление фона, в частности у усилителей с питанием от батарей, выходные шумы могут представлять собой электрические флюктуации, обусловленные шумами усилительных приборов и других компонентов усилителя (собственные шумы усилителя), а также усиленный шум внутреннего сопротивления источника сигнала. Для сопоставимой оценки шумовых свойств различных усилителей предполагают, что шумы внутреннего сопротивления Rt источника сигнала имеют тепловое происхождение и описываются формулой Найквнста для -е. д. с. теплового шума:

El =ikTAf. (10-15)

где fe -постоянная Больцмана (1,38-10- дж/град); То - температура, принимаемая равной 290° К, а Af - эффективная полоса усиливаемых частот.

Af =

K4f)df, (10-16)

где K\f) - амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления; Ко - его номинальное значение. Несмотря на то что в цепи, состоящей из сопротивлений, подчиняющихся формуле Найквнста и находящихся при одинаковой температуре, не может происходить направленная передача мощности шума, формальное использование