Ранее было установлено, что одиночный и связанные контура, электрические фильтры, длинные линии являются линейными электрическими цепями. Они подчиняются закону Ома, их вольт-амперные характеристики прямолинейны, а сопротивление остается неизменным при прохождении по ним тока. Вольт-амперные характеристики электронных ламп, транзисторов, трансформаторов, наоборот, нелинейны. Эти элементы схемы в процессе усиления являются причиной возникновения искажений сигнала.
Поэтому при использовании ламп, транзисторов и трансформаторов в усилительных каскадах во избежание искажений необходимо обеспечить работу этих элементов на участках их характеристик, близких к линейным. Однако при других применениях (генерировании, выпрямлении, детектировании, модуляции и т. д.) форма полезного сигнала на выходе должна отличаться от формы сигнала на входе. Поэтому в таких случаях как раз используются нелинейные свойства соответствующих элементов схемы. Режим работы их подбирается так, чтобы обеспечить желаемую форму (частотный состав) выходного сигнала.
Вольт-амперная характеристика лампы может быть аппроксимирована (представлена приближенно) степенным многочленом следующего вида:
i = Iа.п + au + bu2 + cu3 + du4 + ...,
где a — коэффициент, учитывающий наклон вольт-амперной характеристики; b, с, d — коэффициенты, зависящие от степени нелинейности характеристики лампы.
Чем больше членов многочлена учитывается, тем точнее будет представлена вольт-амперная характеристика лампы в аналитической форме.
Для определения частотного состава тока на выходе нелинейного элемента надо знать аналитическое уравнение его вольт-амперной характеристики и закон изменения напряжения сигнала на входе данного элемента.
Пусть вольт-амперная характеристика нелинейного элемента определяется уравнением
i = Iа.п + au+ bu2 + cu3,
а на вход поступает синусоидальный сигнал u = Um sin ωt. Тогда
Как видно, в состав тока на выходе нелинейного элемента входят:
- постоянная составляющая тока Iа0 = Iа.п + ½ bU2m;
- составляющая тока с частотой входного сигнала ω;
- составляющие тока с частотами 2ω; 3ω, которых не было на входе усилителя: Iа2~, Iа3~. Последние являются причиной искажения формы входного сигнала. Такие искажения называются нелинейными. Их оценивают коэффициентом нелинейных искажений
(217)
где А1 — амплитуда сигнала на выходе; А2, А3, A4 — амплитуды гармонических составляющих сигнала, появившиеся на выходе нелинейного элемента.
Рассмотрим причины, которые вызывают искажение формы сигнала при усилении его триодом:
- Изменение напряжения источника питания. При уменьшении напряжения источника питания динамическая анодно-сеточная характеристика сдвигается вправо и первоначально выбранная рабочая точка из середины линейного участка характеристики сместится на ее нижний изгиб. Если напряжение источника питания возрастет, то рабочая точка сместится ближе к верхнему изгибу характеристики. Форма анодного тока (напряжения на выходе) будет отличаться от формы входного сигнала.
- Перегрузка со стороны входа. При подаче слишком большой амплитуды входного сигнала первоначально выбранная рабочая точка при перемещении по динамической характеристике будет выходить за пределы ее линейного участка и форма анодного тока (напряжения на выходе) тоже будет отличаться от формы входного сигнала.
- Недокал катода. В этом случае режим насыщения наступает при меньшем напряжении на управляющей сетке, уменьшается и ток насыщения. Рабочая точка оказывается на верхнем загибе характеристики, форма анодного тока (напряжения на выходе) исказится.
- Наличие сеточного тока. При положительном полупериоде входного сигнала потенциал сетки может стать положительным и появится сеточный ток. Это приводит к тому, что во время положительного полупериода анодный ток возрастает меньше, чем уменьшается во время отрицательного полупериода, когда нет сеточного тока, т. е. происходит искажение формы входного сигнала.
Для того чтобы триод в режиме усиления работал с наименьшими искажениями, необходимо правильно выбрать и поддерживать постоянным напряжение источника питания, обеспечить нормальное напряжение накала, не перегружать лампу со стороны входа (не подавать слишком больших сигналов) и работать без сеточных токов. Для выполнения последнего условия надо первоначально выбранную рабочую точку сместить в область отрицательных напряжений на сетке — подать на сетку напряжение смещения так, чтобы выполнялось условие Umc ≤ | Ec | , где Ec — напряжение смещения. При выполнении этого условия, во время положительного пол у периода) потенциал управляющей сетки будет отрицательным или, в крайнем случае, нулевым. Электроны на сетку не попадут и сеточный ток не появится.
