Нелинейные искажения сигнала

Нелинейные искажения вызывают изменение формы сигнала и образуются в результате прохождения его через цепи с нелинейными характеристиками. Такими являются все усилительные (VT) и полупроводниковые элементы (VD), магнитопроводы трансформаторов (Т).

При прохождении гармонического сигнала через нелинейные цепи, его спектр обогащается за счёт составляющих, которых не было в исходном сигнале. Если эти составляющие являются гармониками основного тона, то есть частотами, в целое число раз превосходящими основную частоту, то такие нелинейные искажения в музыкальном сигнале воспринимаются как не раздражающие. Музыкальный звукоряд построен на октаве, т.е. на удвоении частоты. Поэтому гармоники основного тона – это те же ноты, но взятые на октаву или несколько октав выше.

Количественной оценкой нелинейных искажений является коэффициент гармоник К_Г

где U₁ – амплитудное значение основного сигнала (первой гармоники), а U₂ … U_n – амплитуды высших гармоник.

У всех усилителях с ростом выходной мощности и частоты входного сигнала этот показатель увеличивается. Но это допустимо, так как средний уровень громкости музыкального сигнала на 10…20 дБ ниже максимального, и кратковременные фрагменты с большим уровнем гармоник будут почти незаметны. Что касается частоты, то примерно половина всей мощности приходится на частоты ниже 500 Гц.

Принято считать приемлемым для максимальной мощности значение К_Г = 0, 5 … 1 %, в то время как для средней мощности некоторых усилителей он достигает К_Г = 0, 01 % и меньше.

Но, к сожалению, нелинейные элементы выполняют функцию смесителей. После прохождения через такие элементы в спектре сигнала образуются суммарные и разностные частоты основных тонов – комбинационные гармоники. Такие

- 3 -

искажения называются интермодуляционными. Они очень неприятны на слух, звучание теряет свою чистоту, становятся хриплым и дребезжащим, отдельные голоса и инструменты плохо различимы и вызывают раздражение.

Все способы измерения коэффициента интермодуляционных искажений К_ИН очень сложны, но известно, что чем больше общая нелинейность тракта УНЧ, тем в большей степени К_ИН превосходит К_Г. При К_Г < 0, 1% можно считать, что К_Г ≈ К_ИН и судить о нелинейных искажениях можно по коэффициенту гармоник.

В стандарте DIN45500 для аппаратуры классов Hi-Fi коэффициент интермодуляционных искажений К_ин рассчитывается следующим образом:

где U₁ и U₂ - амплитудные значения синусоидальных

сигналов с частотами f₁ и f₂, а U₁₂ – амплитуда

разностного или суммарного сигнала U₁₂ = sin 2 π (f₁ ± f₂)t.

f₁ = 250 Гц, f₂ = 8 кГц, U₁ = 0, 25U₂