Нелинейные искажения

Нелинейные искажения вызываются нелинейными цепями. В электронных усилителях нелинейными элементами являются транзисторы и устройства с намагничиваемыми сердечниками (трансформаторы, дроссели и др.).

Возникновение нелинейных искажений можно проиллюстрировать с помощью входной характеристики транзистора:

Нелинейные искажения приводят:

  • 1) к изменению формы и амплитуды сигнала;
  • 2) у прямоугольного импульса — только к изменению амплитуды;

3) к обогащению сигнала дополнительными гармониками, суперпозиция которых не дает исходного сигнала.

Искажение амплитуды сигнала опасно, так как в ней заключена информация об энергии контролируемого процесса, следовательно, нелинейные искажения недопустимы в качественных усилителях электронных приборов.

Нелинейные искажения оцениваются клир-фактором v: сумма квадратов амплитуд гармоник (кроме первой), отнесенная к квадрату первой:

Амплитудная характеристика усилителя

3.7. Амплитудная характеристика усилителя

Амплитудной характеристикой усилителя называется зависимость амплитудного или действующего значения выходного напряжения от входного напряжения:

На амплитудной характеристике можно выделить несколько участков (см. рисунок):

I — нерабочий режим (тепловые шумы транзисторов, резисторов, наводки);

II — линейный участок (рабочий);

III — нелинейный участок (нерабочий).

Чувствительность усилителя — минимальный по амплитуде сигнал, который он способен усилить на фоне шумов:

где U2 — среднеквадратическая амплитуда шумов. Величина U . обычно составляет (1 -И 0) мкВ.

вх min v 7

Динамический диапазон усилителя — отношение U к С/ на линейном участке амплитудной характеристики:

Диапазон усиливаемого сигнала — отношение U к U

^ J вх шах вх min

во всем диапазоне амплитудной характеристики:

Dy>Dc — условие качественного усиления; если соотношение не выполняется, то в усилителе возникают нелинейные искажения.

Переходная характеристика усилителя. Искажения прямоугольных импульсов

Переходной характеристикой h(t) называется зависимость мгновенного значения выходного напряжения усилителя от времени при подаче на вход небольшого перепада напряжения, не вызывающего перегрузку усилителя (реакция на длинный импульс):

Используется для оценки импульсных искажений.

1. Переходная характеристика в области малых времен:

По характеристике h(t) оценивается длительность фронта импульса — время, в течение которого амплитуда изменяется от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения тф = t2 - tv Для качественного усиления тф < 0,1 ти.

2. Переходная характеристика в области больших времен:

Здесь А — скол плоской вершины импульса.

гг 1 / Л Й(0)-Й(ти)

По спаду h(t) определяется А = ——-

К 0)

Для единичной функции

А % = 100 • (1 - h(т )); у качественных усилителей А < 10 %.

Время установления tycj — время, при котором все переходные процессы можно считать законченными (h(t) = 0,05), характеризует быстродействие (усилитель готов к приему следующего сигнала), t ~ 10 ^ 10-4 с.

7 уст

Прямоугольный импульс можно имитировать двумя «ступеньками» противоположного знака, сдвинутыми на ти:

Искажения импульса в области малых времен характеризует следующий график:

Здесь тф+ — передний фронт; т — задний фронт;

V ~ V

Приведем искажения в области больших времен:

В данном случае А — скол вершины импульса;

5 — отрицательный выброс.

Как правило, А « 5.

Появление фронта импульса и скола вершины — результат линейных искажений.

Оценка импульсных искажений

Подадим прямоугольный импульс на вход /?С-цепи с емкостью на выходе:

Здесь тц = RC — постоянная времени цепи;

Перепад единичного импульса (малые времена) соответствует высоким частотам. Он мгновенно передается на емкость С, сопротивление которой для высоких частот близко к нулю, следовательно, напряжение на выходе при t = 0 равно нулю. Затем начинается заряд С через R по экспоненте:

где тц — постоянная времени цепи, определяющая скорость нарастания амплитуды импульса на выходе. При увеличении тц нарастание идет медленнее.

Рассчитаем т,:

Ф

Разделим левые и правые части этих уравнений:

Линейная ЯС-цепь с емкостью на выходе является причиной затягивания фронтов прямоугольного импульса в усилителях.

Подадим прямоугольный импульс на вход ЯС-цепи с резистором на выходе:

По-прежнему тц= RC.

Для перепада единичного сигнала емкость С представляет собой короткое замыкание (.Rc » 0, так как / велика), следовательно, полная амплитуда сигнала передается на выход (С при этом заряжается, потом происходит ее разряд по экспоненте):

Рассмотрим скол вершины импульса:

Для малых А имеет место ти /т <§; 1, тогда экспоненту можно разложить в ряд Маклорена:

Для качественной передачи импульса выгодны малое ти и большое тц (А будет меньше).

Дрейф нуля

Дрейф нуля — хаотическое во времени и неуправляемое изменение выходного сигнала в отсутствие сигнала на входе (см. рисунок).

Дрейфу нуля подвержены усилители постоянного тока (могут пропускать медленно изменяющиеся и даже постоянные сигналы).

Причины дрейфа нуля и меры его устранения

1. Температурное изменение параметров транзисторов и резисторов.

Устранение дрейфа: применение схем термостабилизации, дифференциальных каскадов, введение глубокой отрицательной обратной связи (ООС), охлаждение (вентиляция).

2. Наводки (воздействие внешних электромагнитных полей).

Устранение дрейфа: экранирование.

Дрейф нуля характеризуется среднеквадратичной амплитудой дрейфа:

ивхдр =———--приведенный ко входу дрейф нуля (виртуаль

но

ное входное напряжение, вызывающее дрейф нуля).

Jui

?/Bxmjn >~—“• — Если это условие не выполняется, то сигнал Ко

неразличим на фоне дрейфа нуля.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >