Амплитудная характеристика усилителя. Амплитудные искажения. Предупреждение амплитудных искажений.

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_{max вых} = f (U _{max вх}), называемая амплитудной характеристикой усилителя, имеет линейный вид U_{max вых} = RU _{max вх} (рис.1; прямая линия). На самом деле линейная зависимость выполняется в ограниченной области изменения входного напряжения, при выходе за пределы этой области линейность зависимости нарушается.

Рис.1. Амплитудная характеристика усилителя.

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 сигнала иллюстрируется на рис.2 без искажения (а) и с искажением (б).

Рис.2. Усиление гармонического сигнала.

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

На графиках зависимости U _вых= f(t) в случае линейной амплитудной характеристики (a) видна синусоида, следовательно, усиленный сигнал не искажен. При нелинейности характеристики (б) выходной сигнал периодический, но не синусоидальный, следовательно, происходит искажение сигнала при усилении. Периодический сигнал может быть представлен суммой гармоник, 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_max1 – амплитуда напряжения основной гармоники; U_max2, U_max3, … - амплитуды новых гармоник. Для точного воспроизведения сигнала коэффициент, очевидно, должен быть минимален.