Нелинейные искажения - распространенная проблема, с которой сталкиваются инженеры при проектировании электронных устройств. Давайте разберемся, что такое нелинейные искажения, откуда они берутся и как с ними бороться.
1. Определение нелинейных искажений
Нелинейные искажения - это изменение формы сигнала, проходящего через электрическую цепь, вызванное нелинейностью вольт-амперной характеристики элементов этой цепи.
Причины возникновения нелинейных искажений:
- Нелинейность входных и выходных характеристик транзисторов, ламп, диодов
- Насыщение магнитопровода в трансформаторах
- Перегрузка усилителей по току или напряжению
Различают несколько типов нелинейных искажений:
- Гармонические искажения - появление в спектре сигнала гармоник, кратных основной частоте
- Интермодуляционные искажения - появление комбинационных частот при усилении многокомпонентного сигнала
- Перекрестные искажения - перенос низкочастотного сигнала с одной несущей на другую в радиотехнических устройствах
Для количественной оценки нелинейных искажений используют такие параметры как:
- Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) - отношение суммарной мощности всех гармоник к мощности основной частоты
- Интермодуляционная амплитуда (IMA) 2-го и 3-го порядка - отношение амплитуды интермодуляционной составляющей к амплитуде одной из основных
2. Источники нелинейных искажений
Основные источники нелинейных искажений в электронных устройствах: нелинейность вольт-амперной характеристики активных и пассивных компонентов (транзисторов, операционных усилителей, конденсаторов, катушек индуктивности).
С ростом амплитуды сигнала на входе усилителя или при насыщении магнитопровода в трансформаторе нелинейность возрастает.
Другим фактором, усугубляющим нелинейность, является частота сигнала. На высоких частотах паразитные реактивные элементы в электронных компонентах начинают оказывать все большее влияние.
Также нелинейность зависит от температуры и степени старения компонентов со временем.
3. Вред от нелинейных искажений
Нелинейные искажения наносят значительный вред качеству электронных устройств:
- Ухудшается форма сигнала, появляется нежелательная гармоническая составляющая
- В спектре возникает множество паразитных комбинационных частот
- Возможны перегрузки и выход из строя усилительных каскадов
В аудиотехнике это приводит к появлению помех и искажениям звука, портящим впечатление от прослушивания.
В радиоприемниках из-за нелинейных искажений ухудшается чувствительность и селективность по соседнему каналу.
А в передатчиках создаются помехи другим устройствам из-за расширения спектра сигнала.
4. Измерение нелинейных искажений
Для измерения параметров нелинейных искажений используют специальные приборы:
- Измерители коэффициента гармоник
- Анализаторы спектра сигналов
- Измерители интермодуляционных искажений
В качестве тестовых сигналов могут применяться:
- Синусоидальные сигналы различных частот и амплитуд
- Сложные многокомпонентные сигналы стандартной формы
- "Речевой шум" со сплошным спектром в диапазоне частот устройства
| Параметр | Способ измерения |
| КНИ | Измеритель КНИ |
| IMA 2-го порядка | Два генератора синусоидальных сигналов + анализатор спектра |
| IMA 3-го порядка | Два генератора синусоидальных сигналов + измеритель ИМИ |
По результатам измерений делается вывод о допустимости полученного уровня нелинейных искажений для данного устройства.
5. Борьба с нелинейными искажениями
Существует несколько эффективных методов борьбы с нелинейными искажениями в электронных устройствах:
- Использование компонентов (транзисторов, операционных усилителей) с более линейными характеристиками
- Введение отрицательной обратной связи для линеаризации характеристик усилителя
- Ограничение амплитуды сигнала на входе усилителя
- Применение схем коррекции нелинейных искажений
- Использование цифровой обработки сигнала (предискажение, фильтрация)
6. Пример расчета нелинейных искажений транзисторного каскада
Рассмотрим пример расчета ожидаемого уровня нелинейных искажений в транзисторном усилителе на биполярном транзисторе с базовой схемой включения.
- Моделируем входные и выходные характеристики транзистора
- Для заданной амплитуды входного сигнала строим выходную характеристику
- Разлагаем кривую выходного сигнала на гармонические составляющие
- Рассчитываем амплитуды гармоник и КНИ
По результатам моделирования даем рекомендации по улучшению линейности каскада.
7. Особенности проявления нелинейных искажений в звуковых трактах
Нелинейные искажения оказывают особенно негативное влияние на качество звучания в аудиосистемах.
Даже небольшой уровень гармоник порядка 1-2% значительно ухудшает чистоту и естественность звука.
В усилителях звуковых частот применяют следующие меры борьбы с нелинейностью:
- Многокаскадные схемы с малым коэффициентом усиления на каскад
- Глубокая отрицательная обратная связь
- Выходные каскады большой мощности
- Схемы динамического подавления нелинейных искажений
8. Перспективы уменьшения нелинейных искажений
Современные тенденции позволяют надеяться на дальнейшее снижение нелинейных искажений в электронных устройствах:
- Развитие компонентной базы - транзисторов и операционных усилителей с более линейными характеристиками
- Совершенствование схемотехнических решений по линеаризации
- Прогресс в области цифровой фильтрации и коррекции сигналов
- Применение нейросетевых алгоритмов для борьбы с нелинейностью
Это позволит улучшить качество воспроизведения звука и изображения, повысить скорость передачи данных в телекоммуникационных системах и сделать электронные устройства еще более совершенными.
9. Влияние температуры на нелинейные искажения
Температура оказывает существенное влияние на уровень нелинейных искажений в электронных компонентах.
С повышением температуры:
- Увеличиваются токи утечки в транзисторах
- Снижается напряжение насыщения p-n переходов
- Растет вероятность тепловой нестабильности режима работы усилителя
Все это приводит к росту нелинейных искажений. Поэтому при проектировании усилителей необходимо учитывать влияние нагрева на параметры схемы.
10. Временные искажения
Еще одним проявлением нелинейности являются временные (динамические) искажения сигнала.
Причины:
- Инерционность усилительных каскадов
- Недостаточная скорость нарастания тока и напряжения в транзисторах
- Частотные ограничения трансформаторов и фильтров
Из-за этого форма импульсов искажается, вносятся фазовые сдвиги между гармониками сигнала.
11. Нелинейные искажения на практике
Рассмотрим на практическом примере влияние нелинейных искажений в низкочастотном усилителе на качество звучания акустической системы.
- Собираем упрощенную схему усилителя на транзисторе
- Исследуем его амплитудную характеристику и измеряем КНИ
- Проигрываем аудиозаписи и сравниваем с эталонной системой
- Делаем вывод о допустимости полученного уровня искажений
Данный эксперимент наглядно демонстрирует вред от нелинейных искажений в звуковых трактах.
12. Перспективные схемотехнические решения по борьбе с нелинейностью
Существует ряд интересных схемотехнических решений, позволяющих эффективно бороться с нелинейными искажениями:
- Многоконтурная и многотактная ООС для расширения линейного диапазона
- Адаптивные схемы управления рабочей точкой транзисторов
- Применение компандирования тока для повышения линейности выходного каскада
Дальнейшие исследования в этом направлении позволят еще больше продвинуться в снижении нелинейных искажений.
