Амплитудно-частотные искажения

Частотные искажения определяются при заданном и неизменном входном напряжении сигнала U _ВХ, которое во избежание нелинейных искажений не должно превышать номинального значения U _ВХНОМ (обычно U _ВХ < 0,5 U _ВХНОМ, что соответствует примерно середине линейного участка амплитудной характеристики усилителя).

На рис. 13 линией с длинными штрихами, параллельной оси абсцисс, показана идeальнaя амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), а сплошной линией – наиболее типичная для усилителей гармонических сигналов реальная АЧХ.

Для удобства анализа реальную АЧХ разбивают на три области частот: средние, нижние и верхние. В области средних рабочих частот peальнaя АЧХ совпадает с идeальнoй, так как коэффициент усиления по напряжению в области средних частот K ₀ практически не зависит от частоты. В областях же нижних и верхних рабочих частот peальнaя АЧХ отклоняется от идеальной, так как здесь K уменьшается относительно K ₀ из-за влияния реактивных составляющих сопротивлений в цепях усилителя и в нагрузке, а также из-за влияния инерционных свойств УЭ. Забегая вперед, отметим, что зaвал АЧХ в области нижних частот вызывается влиянием конденсаторов и трансформаторов связи, если они используются в усилителях, а в области верхних частот – влиянием инерционных свойств УЭ и реактивных составляющих нагрузки.

Рис. 13. АЧХ усилителя переменного тока

Частоты f _Н и f _В (рис. 13), на которых K уменьшается до допустимого (заданного) значения относительно K ₀, называют соответственно нижней граничной и верхней граничной частотами. Общепринятым является понятие граничных частот, отсчитываемых на уровне уменьшения коэффициента усиления в раз, что соответствует 3 дБ. Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения, ее уменьшение на этих частотах составит . Иногда их называют частотами полумощности.

Для усилителей звуковых частот (УЗЧ) и широкополосных усилителей средняя частота принимается равной 1 кГц, а для УПТ – равной нулю. Область частот от нижней граничной частоты f _Н до верхней граничной частоты f _В, в пределах которой изменения коэффициента усиления не превышают допустимых значений, называется диапазоном рабочих частот или полосой пропускания усилителя Δ f.

В связи с тем что вносимые усилителем частотные искажения определяются неравномерностью его АЧХ в диапазоне рабочих частот, за меру частотных искажений принимают модуль относительного коэффициента усиления Y, представляющий собой отношение модуля коэффициента усиления на рассматриваемой частоте K к коэффициенту усиления на средней частоте K ₀: Y = K / K _0/

Такие АЧХ усилителя называются нормированными. Нормированные АЧХ очень удобны для оценки изменения АЧХ усилителя при изменениях K в зависимости от изменений параметров усилителя или для сравнения АЧХ усилителей с различными значениями K ₀.

Для оценки частотных искажений усилителя наряду с относительным коэффициентом усиления Y применяют также коэффициент частотных искажений: М = 1/ Y = K ₀/ K.

Иногда в лабораторных условиях для ускорения обработки результатов эксперимента АЧХ усилителя строят в виде графика зависимости выходного напряжения U _ВЫХ от частоты при заданном и неизменном входном напряжении U _ВХ < 0,5 U _ВХНОМ.

Меру частотных искажений Y и М часто выражают в децибелах:

Y (дБ) = 20 lg Y; M (дБ) = 20 lg М.

Очевидно, что Y (дБ) = – M (дБ).

Для перевода Y (дБ) и M (дБ) в относительные значения пользуются соотношениями: Y = 10 ^{Y (дБ)/20}; M = 10 ^{M (дБ)/20}.

На частотах, где Y = М = 1 (или Y (дБ) = M (дБ) = 0), частотных искажений нет. Чем больше Y или M в относительных значениях отличаются от единицы (или чем больше Y (дБ) и M (дБ) отличаются от нуля), тем больше вносимые усилителем частотные искажения. Очевидно, что при идеальной АЧХ усилителя частотные искажения отсутствуют.

В случае оценки частотных искажений всего (сквозного) усилительного тракта, т. е. усилителя вместе с его входной цепью, во всех рассуждениях вместо входного напряжения U _ВХ и коэффициента усиления по напряжению K следует брать ЭДС источника сигнала е _1И и сквозного коэффициента усиления K _СКВ.

В этом случае вместо K = U _ВЫХ/ U _ВХ будем использовать

K _СКВ = U _ВЫХ/ е _1И; М = 1/ Y = K _0СКВ/ K _СКВ.

Сквозные АЧХ и показатели K _СКВ, Y _СКВ и М _СКВ характеризуют усилитель с учетом свойств его входной цепи, т. е. сквозной тракт усиления.

В звуковых трактах возникает необходимость получать еще более полную информацию об АЧХ и частотных искажениях – сквозные АЧХ и частотные искажения с учетом влияния не только входной цепи усилителя, но и свойств звуковоспроизводящего устройства (динамика, колонки): при этом они оцениваются не по U _ВЫХ, а по звуковому давлению, создаваемому звуковоспроизводящими устройствами.

Диапазон рабочих частот (полоса пропускания) и допустимые частотные искажения усилителя определяются спектральным составом усиливаемых сигналов, т. е. назначением усилителя.

Для лучшего понимания этого необходимо представлять последствия, к которым приводят неточный выбор полосы пропускания усилителя и частотные искажения. В усилителях звуковой частоты (УЗЧ) частотные искажения проявляются в изменении тембра звучания, при завале АЧХ на высоких частотах ухудшается звучание высокочастотных музыкальных инструментов (скрипки, флейты и т. д.), а при завале АЧХ на нижних частотах ухудшается звучание низкочастотных музыкальных инструментов (контрабаса, барабана и т. д.). В видеоусилителях частотные искажения на высоких частотах ухудшают четкость изображения на экране кинескопа, в усилителях, предназначенных для использования в измерительной аппаратуре (в осциллографах, вольтметрах и т. д.), неравномерность АЧХ приводит к частотным ошибкам и т. д.

Ниже приведены примерные данные по диапазонам рабочих частот и допустимым частотным искажениям усилителей различного назначения.

В усилителях, используемых для усиления сигналов речи в телефонных каналах связи, диапазон рабочих частот самый узкий – от f _н = 300 Гц до f _в = 3,4 кГц при допустимых значениях М па граничных частотах 6 дБ. Это обусловлено необходимостью экономного использования отводимой для связи полосы частот и удешевления оборудования в каналах передачи речевой информации без ущерба для разборчивости речи, которая получается достаточной, потому что, во-первых, сам спектр речевого сигнала неширокий, а во-вторых, при узкой полосе частот уменьшается уровень помех.

В усилителях, предназначенных для записи, передачи и воспроизведения речи и музыки, диапазон рабочих частот и допустимые частотные искажения зависят от класса качества аппаратуры трактов звукового вещания. В усилителях среднего качества f _н ≈ 70...100 Гц, f _в ≈ 5...8 кГц при частотных искажениях порядка М < 2...4 дБ, которые почти незаметны на слух. В усилителях высокого качества f _н ≈ 20...50 Гц, f _в ≈ 15...20 кГц при неравномерности АЧХ менее 2 дБ.

В усилителях высшего класса качества может быть 0 < f _н < 20 Гц и 20 < f _в < 200 кГц при М ≤ 0,1...1 дБ (здесь выбор большого значения f _в, превышающего самую высшую частоту звукового спектра f _max = 20 кГц, обусловлен стремлением лучшего воспроизведения быстрых перепадов громкости звучания).

В усилителях, предназначенных для использования в измерительной аппаратуре (осциллографах, вольтметрах и т. д.), f _н ≈ 0...20 Гц, а f _в до 60 МГц при коэффициенте частотных искажений порядка десятых и сотых долей децибела.

В телевизионных усилителях f _н ≈ 50 Гц, f _в ≈ 6 МГц.

В заключение следует отметить, что равномерная АЧХ (рис. 13), типичная для многих усилителей гармонических сигналов (УЗЧ, усилителей для измерительной аппаратуры, видеоусилителей и т. д.), неприемлема для некоторых других усилителей. Например, в усилителях воспроизведения магнитной записи АЧХ имеет более сложную форму, чтобы скорректировать частотные искажения различных участков звукового тракта и кривую чувствительности уха человека.