Рис. 7.2. Амплитудная (а) и фазовая (б) характеристики усилителя переменного тока низкой частоты

При построении частотных характеристик по оси абсцисс откладывают частоту f или угловую частоту ω, а по оси ординат для амплитудных характеристик откладывают численные значения коэффициента усиления, а для фазовых — фазовый угол в градусах или радианах. Удобнее воспользоваться логарифмической шкалой. Тогда по шкале абсцисс откладывают не частоту, а ее десятичный логарифм (lg f), а по оси ординат — коэффициент усиления, выраженный в децибелах. Амплитудная и фазовая характеристики определяют способность усилителя пропускать сигнал с определенным частотным спектром.

Для усилителя звуковых частот представляет интерес амплитудная характеристика; а фазовая не играет существенной роли, поскольку человеческое ухо не реагирует на небольшие фазовые сдвиги звуковых сигналов. Иначе обстоит дело для видеоусилителя. Фазовая характеристика имеет такое же значение, как и амплитудная, поскольку человеческий глаз реагирует на малые фазовые сдвиги отдельных составляющих сигнала изображения.

Из-за того что усилитель не усиливает одинаково сигналы различных частот, возникает необходимость уточнения способности усилителя усиливать определенные полосы частот. Эта способность выражается с помощью ширины полосы, определяемой как разность частот между двумя точками амплитудной характеристики, для которых коэффициент усиления на 3 дБ меньше, чем на средних частотах. Одна из этих точек, расположенная в этой части характеристики отражает в диапазоне более низких частот, соответствует на оси частот нижней граничной частоте f_н (рис. 7.3), тогда как другая точка — соответственно верхней граничной частоте f_в. Разность этих частот и является шириной полосы пропускания, которую обычно обозначают буквой В или Δf:

Δf = В = f_в — f_н

Рис. 7.3. Амплитудная характеристика низкочастотного усилителя с граничными частотами f_н и f_в

Точки на амплитудной характеристике, в которых усиление (по напряжению и по току) снижается на 3 дБ, называются точками половинной мощности, поскольку соответствующая им мощность уменьшается в 2 раза.

В зависимости от применения усилители могут иметь различную ширину полосы пропускания. Полоса пропускания усилителей звуковых частот, используемых, например, в радиоприемниках и электроакустических устройствах, лежит в полосе от нескольких десятков герц до 10–20 кГц, тогда как в видеоусилителях, предназначенных для усиления сигналов изображения с широким частотным спектром, — от нескольких герц до нескольких мегагерц (например, 6 МГц).

Оба упомянутых усилителя относятся к усилителям типа фильтров нижних частот, поскольку пропускают сигналы с очень низкими частотами. Именно поэтому в подобных усилителях за ширину полосы пропускания принимают значение верхней граничной частоты f_в, поскольку разность верхней и нижней граничных частот f_в — f_н незначительно меньше частоты f_в.

При анализе изменения коэффициента усиления усилителя в функции частоты удобно разделить весь диапазон частот, пропускаемых усилителем, на три поддиапазона: низких, средних и высоких частот. Диапазон низких частот простирается от нуля до частоты, в 10 раз большей нижней граничной частоты f_н. В этом диапазоне амплитудная характеристика обычно спадает при уменьшении частоты.

Аналогично диапазон высоких частот охватывает область от частот, в 10 раз меньшей верхней граничной частоты вплоть, до f_в. В этом диапазоне амплитудная характеристика также спадает, но при увеличении частоты. Между указанными диапазонами располагается диапазон средних частот, в котором амплитудная характеристика плоская. Следует подчеркнуть, что термин «диапазон высоких частот» означает частоты, большие по сравнению со средними частотами. В действительности, например в случае усилителей звуковых частот, эти частоты могут быть малыми, около нескольких килогерц.

Искажением называется изменение формы сигнала после прохождения этого сигнала через усилитель. Если форма выходного сигнала отличается от формы входного, то говорят, что усилитель вносит искажения. Очевидно, что изменение значения амплитуды но является искажением. Различают два основных вида искажений — линейные и нелинейные.

Усилитель вносит в сигнал линейные амплитудные искажения в том случае, если ширина его полосы пропускания оказывается недостаточной по отношению к частотному спектру усиливаемого сигнала. Электрические сигналы могут иметь различную форму синусоидальную, прямоугольную, трехугольную, пилообразную и т. п.

Каждый из этих сигналов можно представить как сумму синусоидальных сигналов: сигнала основной частоты f и гармонических сигналов, частоты которых являются кратными основной частоте, т. е. равны 2f, 3f и т. д. Для правильного представления (воспроизведения) сигнала сложной формы обычно достаточно десяти гармоник сигнала основной частоты. Например, если усиливается прямоугольный сигнал с частотой 15 кГц, то ширина полосы пропускания усилителя должна составлять 150 кГц. В этом случае на выходе усилителя также получим прямоугольный сигнал. Если бы полоса пропускания усилителя составляла 15 кГц, на выходе вместо прямоугольного колебания мы бы получили синусоидальное колебание с частотой 15 кГц (рис. 7.4).

Высшие гармонические составляющие сигнала усилителем не были бы пропущены. При более широкой полосе усилителя, например 50 кГц, выходной сигнал был бы уже более похож на прямоугольный сигнал, и лишь при полосе усилителя, соответствующей спектру сигнала, наблюдается воспроизведение на выходе входного сигнала. Следовательно, линейные амплитудные искажения наблюдаются в том случае, когда коэффициент усиления усилителя не является постоянным в достаточно широком диапазоне частот.

Рис. 7.4. Электрические колебания на входе и выходе усилителя:

_{а — входное прямоугольное колебание с частотой 15 кГц, б и в — колебания на выходе усилителя с шириной полосы соответственно 15 и 150 кГц}

К линейным искажениям относятся также фазовые искажения, которые наблюдаются в том случае, когда фазы сигналов различных частот, образующих сложный (составной) сигнал, например прямоугольной формы, оказываются сдвинутыми на разное значение. Поскольку прямоугольный сигнал является суммой синусоидальных сигналов с определенными фазовыми сдвигами, то нарушение фазовых соотношений этих сигналов на выходе усилителя не позволит вновь получить прямоугольный сигнал. Можно доказать, что только усилитель с линейной фазовой характеристикой не вносит фазовых искажений.