Частотные искажения в усилителях

Исследуя работу усилителей, можно заметить, что их коэффициент усиления в общем случае падает как на низких, так и на высоких частотах. Это создает завалы АЧХ на этих частотах и порождает дополнительные сдвиги фаз. Завал низких частот обусловлен разделительными эле­ментами. Для трансформатора этот завал был оценен выше. Любая разделительная RC-цепь между каскадами также создает спад на низких частотах — тем больший, чем меньше ее постоянная времени x=RC. Лишь в усилителях низкой частоты с непосредственной связью между каска­дами завал АЧХ на НЧ отсутствует.

Завал усиления на ВЧ обусловлен двумя основными факторами — инерционностью движения носителей в активных приборах и влиянием шунтирующих емкостей. Первый фактор существенен лишь для самых массовых активных приборов — биполярных транзисторов. Когда они используются в схеме с общей базой, конечное время пролета носителей через базу порождает спад усиления на ВЧ. Он оценивается верхней граничной частотой в схеме с общей базой fa. В схеме с общим эмиттером ситуация гораздо хуже — граничная частота в этом случае равна fn=fa(P+i). Чтобы инерционность транзисторов не влияла на работу усилителей, эти частоты должны в несколько раз превышать граничную частоту рабочего диапазона частот усилителей. Электронные лампы и полевые транзисторы без учета их емкостей можно рассматривать как безынер­ционные приборы. Однако их емкости вызывают спад усиления на ВЧ у усилителей на этих приборах. Качество приборов оценивается отношением их крутизны S0 к общей емкости С0, называемым добротностью прибора Q=S0/C0. Неуемным почитателям ламповых усилителей полезно знать, что современные мощные полевые транзи­сторы намного превосходят приемно-усилительные элек­тронные лампы по этому показателю, а также по значению крутизны и максимальным выходным токам и напряжени­ям. Так что никаких оснований к обожествлению ламп нет.

Частотные искажения вызываются тем, что колебания различных частот при известных условиях усиливаются неодинаково. В усилителе НЧ это объясняется тем, что нагрузкой для ламп являются не только активные сопротивления, но и емкости (междуэлектродные емкости ламп, емкость монтажа, емкость разделительного конденсатора и др.), а иногда и индуктивности (дроссель, трансформатор), сопротивление которых на разных частотах различно. А поскольку усиление каскада с данной лампой зависит от величины сопротивления ее анодной нагрузки, то и усиление в этом случае оказывается различным на разных частотах. В усилителях на сопротивлениях обычно лучше всего усиливаются колебания средних частот звукового диапазона, примерно от 200 до 3 000 Гц. На более низких и более высоких частотах усиление уменьшается. В результате этого соотношение между амплитудами колебаний различных частот на выходе усилителя не соответствует. соотношению между амплитудами колебаний этих частот, подводимых к его входу, и характер звучания искажается.Вследствие относительного ослабления колебаний верхних частот по сравнению со средними пропадают те характерные колебания в составе звука, которые придают ему определенную звуковую окраску, те особенности, которые отличают звучание различных музыкальных инструментов или разных голосов, т. е. тембр передачи искажается. 

Ослабление колебаний нижних звуковых частот лишает звук сочности, придает ему звенящий, неестественный, металлический тембр. Точно так же чрезмерное усиление одних частот по сравнению с другими влечет за собой искажения. Явления, происходящие вследствие частотных искажений, можно наглядно изобразить графически. Предположим, что усиливается сложное звуковое колебание, содержащее, помимо синусоидального колебания основной частоты, также вторую и третью гармоники. При этом амплитуда второй гармоники вдвое, а третьей — втрое меньше амплитуды основного тона. Форма такого сложного колебания и его составляющих изображена на рис.  (в каждый момент времени ордината сложной кривой представляет собой сумму ординат всех трех составляющих кривых). Предположим теперь, что на более высоких частотах коэффициент усиления усилителя вдвое меньше, чем на основной частоте. Тогда на выходе усилителя амплитуды колебаний второй и третьей гармоник относительно амплитуды колебаний основной частоты будут вдвое меньше, чем в усиливаемом сигнале В результате этого форма сложного колебания на выходе усилителя будет сильно отличаться от формы сигнала на его входе. Следовательно, при частотных искажениях, как и при нелинейных, изменяется форма сигнала. Но если во втором случае искажение формы кривой объясняется появлением в процессе усиления новых колебаний, которых не было в составе основного сигнала, то в первом случае новые колебания не появляются, а искажение формы кривой объясняется только изменением соотношения между амплитудами колебаний разных частот, входящих в состав усиливаемого сложного колебания.

Чтобы иметь возможность судить о частотных искажениях, снимают частотную характеристику усилителя, которая изображает зависимость коэффициента усиления от частоты. Для этого от звукового генератора подают на вход усилителя колебания различных частот, лежащих в пределах его рабочего диапазона, причем напряжение на входе усилителя поддерживают при всех частотах постоянным. Тогда напряжение на выходе будет прямо пропорционально коэффициенту усиления на данной частоте. По полученным в результате измерений данным строят частотную характеристику усилителя

Коэффициентом частотных искажений, обозначаемым буквой М, называют отношение М К/Кср, где Кср — коэффициент усиления па средних частотах, а К — коэффициент усиления па средних частотах, а К — коэффициент усиления на данной частоте.

В усилителях высокой частоты частотная характеристика должна быть достаточно широкой для того, чтобы пропустить без большого ослабления все боковые частоты, излучаемые радиостанцией. Если высокочастотный тракт приемника пропускает слишком узкую полосу частот, то воспроизведение передачи сопровождается частотными искажениями — ослабляются верхние звуковые частоты.