Нелинейные параметры узлов РЭА

Нелинейные искажения — это появление новых частотных составляющих в выходном спектре сигнала по сравнению с входным спектром. Причиной возникновения нелинейных искажений является нелинейность амплитудной характеристики. Величина нелинейных искажений существенно зависит от напряжения питания усилителя или другого блока радиоэлектронной аппаратуры и от напряжения выходного сигнала.

Для оценки нелинейных искажений выходного синусоидального сигнала в простейшем случае можно воспользоваться осциллографом. Однако часто искажения невозможно определить по виду синусоиды, поэтому для количественной оценки нелинейных искажений РЭА используют различные нелинейные параметры.

Наиболее распространенным нелинейным параметром усилителя является коэффициент гармоник. Этот параметр определяется как отношение корня квадратного суммы квадратов напряжений гармоник синусоидального сигнала, начиная со второй гармоники к напряжению первой гармоники (полезному сигналу). Формула для вычисления коэффициента гармоник записывается следующим образом:

Формула определения коэффициента гармоник

Наиболее полезен коэффициент гармоник для оценки нелинейности усилителей звуковой частоты, видеоусилителей и других широкополосных усилителей. Связано широкое применение коэффициента гармоник для анализа нелинейности звукового усилителя с тем, что широкая полоса пропускания этого усилителя позволяет проходить на его выход как сигналу основной частоты (первой гармонике), так и большинству его гармоник. Пример, иллюстрирующий описанную ситуацию, приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Прохождение гармоник входного сигнала на выход усилителя звуковой частоты

На данном рисунке полезным сигналом является первая гармоника с частотой f₁. Остальные гармоники рождаются самим усилителем, и так как они попадают в полосу пропускания усилителя, то присутствуют на его выходе. Для наглядности на рисунке 1 приведена частотная характеристика усилителя. Для измерения коэффициента гармоник используются специальные приборы — измерители нелинейных искажений. Принцип работы измерителя нелинейных искажений приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Принцип работы измерителя нелинейных искажений

В приборах данного типа режекторным фильтром подавляется частота основного тона и измеряется напряжение гармоник. Прибор отградуирован сразу на отображение коэффициента гармоник. Измерение коэффициента гармоник ведется обычно на частоте 1 кГц.

Поскольку нелинейные искажения сигналов ухудшают качество воспроизведения содержащейся в них информации и, в частности, качество речи и музыки, то вносимые усилителями нелинейные искажения всегда нормируются. Допустимая величина коэффициента гармоник зависит от назначения усилителей. В высококачественных усилителях сигналов речи и музыки обычно K_{Г_доп} < (0,1 ... 1)%, в усилителях вещательных трактов первого класса K_{Г_доп} < 2,5% на средних частотах и K_{Г_доп} < 4% на нижних частотах (с учетом искажений, вносимых выходным трансформатором усилителя), в звуковых усилителях среднего качества K_{Г_доп} < (5...8)%, в измерительных усилителях K_{Г_доп} составляет десятые и сотые доли процента. Для сравнения можно отметить, что нелинейные искажения сигналов речи и музыки на слух не воспринимаются, если коэффициент гармоник K_Г не превышает примерно (0,2 ... 0,5)%.

В узкополосных усилителях, таких как усилители промежуточной частоты или радиоусилители мощности применение для оценки нелинейных искажений коэффициента гармоник не имеет смысла, так как гармоники в таких узлах радиоэлектронной аппаратуры легко подавляются узкополосными полосовыми фильтрами. Описанная ситуация иллюстрируется рисунком 3

Рисунок 3. Подавление гармоник полосовым фильтром в усилителях мощности радиочастоты

К сожалению, возможность подавлять гармоники излучаемого спектра сигнала не означает, что в усилителях мощности радиочастоты или в усилителях промежуточной частоты отсутствуют нелинейные искажения. В радиоэлектронных блоках, работающих с узкополосными сигналами, нелинейные искажения вызываются продуктами нелинейности третьего, пятого, седьмого, и т.д. порядков. Так, при воздействии на вход усилителя двух частотных составляющих, в полосе пропускания усилителя останутся комбинационные составляющие с частотами 2f₁ ± f₂, 2f₂ ± f₁. Подобная ситуация иллюстрируется рисунком 4

Рисунок 4. Расположение продуктов нелинейности второго и третьего порядков на оси частот

Уровень нелинейных искажений третьего порядка зависит от уровня выходного сигнала, поэтому для оценки усилителя по уровню искажений третьего порядка вводят параметр точка пересечения продуктов третьего порядка — IP3. Этот параметр позволяет характеризовать сам усилитель вне зависимости от уровня полезного сигнала, поэтому является справочным параметром. Принцип определения IP3 приведен на рисунке 5

Рисунок 5. Принцип определения IP3

Применение точки IP3 возможно только в режиме небольших сигналов, когда амплитудную характеристику можно аппроксимировать полиномом третьей степени y = ax + bx³. При приближении к точке перегиба амплитудной характеристики уровень продуктов нелинейности третьего порядка резко возрастает и расчеты с применением параметра IP3 будут неверны.

Зависимость уровня выходного сигнала от входного является линейной. Зависимость нелинейных искажений третьего порядка от уровня входного сигнала подчиняется кубическому закону. Если эти зависимости выразить в логарифмическом масштабе (децибелах), то обе зависимости будут представлять собой прямые. При этом наклон прямой продуктов нелинейности третьего порядка будет в три раза больше угла наклона зависимости выходной мощности от входной:

K(dB) ≡ log(K³) = 3log(K)

Чем более качественный предлагается усилитель, тем меньше будет изначальный уровень продуктов нелинейности третьего порядка и тем большее значение примет точка IP3. Она приводится в абсолютных значениях мощности входного (IIP3) или выходного (OIP3) сигнала относительно одного миливатта dBm.

Вместе со статьей "Нелинейные искажепия узлов РЭА" читают:

Нелинейные искажения узлов РЭА