Частотные и фазовые искажения сигнала

Коэффициент усиления не является величиной постоянной, а зависит от многих факторов и в частности от частоты входного сигнала.

Зависимость коэффициента усиления К_U или выходного напряжения U_ВЫХ от частоты F называется амплитудно – частотной характеристикой (АЧХ) и записывается в общем виде так: К_U = ƒ (F) или U_ВЫХ = ƒ (F).

Для её построения удобно пользоваться логарифмическим масштабом, который позволяет искусственно растянуть область малых частот и сжать область больших частот (Рис.1). Коэффициент усиления может быть выражен в абсолютных значениях К_U = U_ВЫХ ⁄ U_ВХ или в относительных Y = К ⁄ K₀ = 1 ⁄ M.

Рис.1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя

Идеальной АЧХ усилителя является прямая линия (пунктирная на Рис.1) параллельная оси частот F. В реальных условиях в области верхних ВЧ и особенно нижних НЧ звуковых частот коэффициент усиления будет уменьшаться, что приведет к завалу АЧХ. Причиной этого является прохождение сигнала через реактивные элементы, сопротивление которых зависит от частоты (конденсаторы С, усилительные элементы VT, индуктивности L, трансформаторы Т и др.).

Неравномерность АЧХ в пределах рабочего диапазона усиливаемых частот, например от F_H = 40 Гц до F_B = 15 кГц, обусловлена частотными искажениями сигнала. Частотные искажения не связаны с изменением формы сигнала, а вызывают

- 4 -

лишь изменение тембра звука.

Для количественной оценки частотных искажений используется коэффициент частотных искажений М:

М = К₀ ⁄ K,

где К₀ – коэффициент усиления на средней частоте, обычно на 1 кГц.

К - коэффициент усиления на крайних частотах рабочего диапазона F_H и F_B или на других частотах, где искажения сигнала максимальные.

Коэффициент частотных искажений в многокаскадных усилителях равен:

М_общ = М₁ ∙ М₂ ∙ … ∙ М_n или М_общ[дБ] = М₁ [дБ] + М₂ [дБ] +... + М_n [дБ]

Следует заметить, что для аппаратуры класса Hi-Fi идеальной АЧХ является вовсе не прямая линия. Представляет интерес лишь диапазон от 16 Гц до 20 кГц, т.е. диапазон звуковых колебаний, который слышит человеческое ухо. Лишние частотные области, в которых нет полезного сигнала, а присутствуют только шумы, как от внутренних, так и от внешних источников, только ухудшают работу усилителя, уменьшая его КПД, а ВЧ область иногда даже представляет некоторую опасность для выходных каскадов и акустики при возникновении автогенерации.

Однако в усилителях высокого класса некоторый запас по частоте необходим по ряду технических причин, поэтому верхняя граница идеальной характеристики устанавливается в районе 25…50 кГц.

При оценке АЧХ следует помнить, что неравномерность частотной характеристики Р_ВЫХ = f(F) допускается 3 дБ (уровень 0, 5 от уровня на средних частот), а U_ВЫХ = f(F) – 6 дБ (по уровню 0, 707).

Частотные искажения в виде завала АЧХ могут вносить в области нижних частот F_Н разделительные конденсаторы С_Р, конденсаторы в цепи эмиттера С_Э, трансформаторы Т, а в области верхних частот F_В – конденсаторы развязывающих фильтров по питанию С_Ф, транзисторы VT, трансформаторы Т.

Фазовые искажения возникают за счёт прохождения сигнала через реактивные элементы, в результате чего появляется фазовый сдвиг φ между составляющими сложного сигнала.

Измерение фазовых характеристик очень сложно и нет общих стандартов для проведения таких измерений. Считается, что фазовые искажения на слух не воспринимаются и в усилителях не учитываются.