Нелінійні спотворення обумовлені нелінійністю вольт-амперних характеристик активних елементів, наприклад транзисторів, і характеристик намагнічення магнітопроводів трансформаторів. При цих спотвореннях на виході підсилювача з'являються нові компоненти спектр а частот, відсутні на вході. Якщо на вхід підсилювача поданий синусоїдальний сигнал, то на виході виникають додатково вищі гармоніки з частотами, кратними частоті вхідного сигналу. При подачі на вхід підсилювача одночасно два або декількох синусоїдальних сигналів на виході окрім цих частот з'являються їх вищі гармоніки і комбінаційні компоненти з частотами, рівними сумі і різниці будь-яких гармонік кожного сигналу, підведеного до входу. Цей різновид нелінійних спотворень називають інтермодуляційними спотвореннями (або інтермодуляцієй). Рівень нелінійних спотворень оцінюють коефіцієнтом нелінійних спотворень, коефіцієнтом гармонік і коефіцієнтами інтермодуляції (ГОСТ 9783—71) по напрузі і звуковому тиску.

Коефіцієнт нелінійних спотворень — відношення середньоквадратичної суми заданих спектральних компонентів вихідного сигналу, відсутніх в спектрі вхідного сигналу, до середньоквадратичної суми заданих спектральних компонентів вхідного сигналу.

Коефіцієнт гармонік — коефіцієнт нелінійних спотворень, при яких вхідним сигналом є синусоїдальній напруга.

Коефіцієнт інтермодуляциі п-го порядку — коефіцієнт нелінійних спотворень, при яких вхідним сигналом є сума синусоїдальної напруги з частотами f₁ і f₂ (f₁ << f₂) при цьому ділиме — середньоквадратична сума спектральних компонентів з частотами f₁± (n — 1) f₂, а дільник — компонент вихідного сигналу з частотою f₂.

Динамічні інтермодуляційні спотворення — особливий вил нелінійних спотворень, які з'являються в транзисторних підсилювачах, охоплених глибоким негативним зворотним зв'язком і АВ, що працюють в режимі класу. Ці спотворення обумовлені перевантаженням каскадів підсилювача унаслідок запізнюванні напруги зворотного зв'язку по відношенню до напруги сигналу.

Перехідні спотворення з'являються в результаті накладенні на відтворний сигнал коливань, обумовлених несталими процесами в підсилювачі і гучномовці. Особливо помітні на слух несталі процеси в рухомій система гучномовців. Кількісно перехідні спотворення оцінюють по перехідній характеристиці. Перехідна характеристики підсилювача — залежність амплітуди вихідної напруги ос часу після включення на його вхід синусоїдальної напруги. По перехідній характеристиці лінійного пристрою можна обчислити його АЧХ і ФЧХ (фазочастотна характеристика).

Перешкоди в підсилювачах обумовлені власними шумами, фоном (пульсації живлячої напруги) і наведеннями. Рівень власних шумів підсилювача — відношення середньоквадратичною напруга шумів (у заданій смузі частот) на виході підсилювача до напруги, відповідної номінальній потужності. Рівень шумів прийнято виражати в децибелах. Рівень фону — відношення середньоквадратичної напруги суми складових фону (гармонік частоти живлячої мережі) до вихідної напруги при номінальній потужності. Аналогічно оцінюють і рівень наведень.

Амплітудно-частотні спотворення легко визначаються по амплітудно-частотній (АЧХ) або частіше скорочено званою частотою характеристиці, де по осі абсцис відкладається (як правило, в логарифмічних масштабі) частота, а по осі ординат також в логарифмічному масштабі (а децибелах) звуковий тиск, що розвивається, в певній точці простору при заданому режимі підведення напруги до перетворювача, наприклад при незмінній напрузі на всіх частотах.

Бланки АЧХ стандартизовані ГОСТ 16122—78 (рис. 7.1) і стандартом МЕК (рис. 7.2). Мірою АЧХ є її нерівномірність. Так, представлена на рис. 7.1 осьова АЧХ має нерівномірність 15 дБ в діапазоні 40—20 000 Гц. Причинами АЧС є частотні залежності опору випромінювання і механічних опорів елементів перетворювача і їх комбінацій, а також залежність від частоти електричного вхідного опору перетворювача.

Рис. 7.1 - Частотна характеристика акустичної системи 35АС-1,

зображена на стандартному бланку АЧХ

Рис. 7.2 - Бланк АЧХ, стандартизований МЕК

Суть ФЧС полягає в тому, що зрушення фази між електричною напругою, що підводиться, і перетворювачем, що розвивається, звуковим тиском відмінний від зрушення фаз звукового тиску, що рівномірно росте з частотою, між двома точками поля, що знаходяться на різних відстанях від природного джерела. Дійсно, як випливає з (4.5), зрушення фази пропорційне частоті і відстані від джерела. Порушення цієї залежності в перетворювачах при випромінюванні ними звуку обумовлюється, по суті, тими ж причинами, які мають місце при АЧС.

Перехідні спотворення полягають в тому, що при підведенні до перетворювача змінної напруги випромінюване їм звуковий тиск не відразу досягає постійного значення, а наростає поступово і не відразу спадає до нуля при виключенні напруги, що підводиться. Причини перехідних спотворень — інерція і пружність елементів перетворювача ПС. Перехідні спотворення і ФЧС вітчизняними стандартами не нормуються.

Нелінійні спотворення виявляються в тому, що при підведенні до перетворювача напруги однієї або декількох частот у випромінюваному ним звуці окрім складових цих частот з'являються ще і інші. Ці частоти можуть бути кратними частотам (гармоніки), що підводяться, або в ціле число разів менше їх (унтертони або субгармоніки), або бути сумою або різницею частот, що підводяться. У останньому випадку говорять про інтермодуляционних спотворення. Причинами НС є те, що зсуви, швидкості, прискорення елементів перетворювача під впливом прикладених до них сил стають непропорційними прикладеним силам, що викликається їх нелінійною залежністю. По своїй величині НС оцінюються, по-перше, сумарним коефіцієнтом гармонік:

.                                               (7.1)

де  — звуковий тиск на частоті напруги, що підводиться;

,  — звуковий тиск в звуці, що випромінює, на частотах 2f₁, 3f₁ и т. ін.

Окрім сумарного коефіцієнта гармонік часто НС оцінюються характеристичним коефіцієнтом гармонік, який відрізняється від сумарного коефіцієнта гармонік тим, що в (7.1) значення  замінюється  [див. (25)].

Іншим видом оцінки НС є коефіцієнти інтермодуляційних спотворень, визначувані при підведенні до перетворювача частот f₁ і f₂ :

де  — звуковий тиск на частоті f₂;

 - відповідно звуковий тиск на частотах, вказаних в індексах.

Загальний коефіцієнт інтермодуляційних спотворень

Слід відмітити, що найбільшого значення НС досягають при збільшенні потужності, що підводиться до перетворювача до гранично допустимого значення.

Близьким НС видом спотворень є деренчання і призвуки. І ті та інші добре відчуваються при підведенні до перетворювача синусоїдальної напруги частоти, що поступово змінюється.

Близько 10 років тому у вихідних каскадах підсилювачів почав застосовуватися пентод в так званому ультралінійному режимі, який поєднує в собі позитивні властивості тріода і пентода. Для порівняння обидві схеми приведено на рис. 3.8.

Підключення екрануючої сітки до частини обмотки вихідного трансформатора створює своєрідний негативний зворотний зв'язок, внаслідок чого зменшуються нелінійні спотворення і внутрішній опір пентода. Поява ультралінійного режиму зробила непотрібним застосування тріода у вихідному каскаді.

Маючи сімейство анодних характеристик, можна розрахувати режим роботи вихідного каскаду: визначити потужність, що розвивається, величину опору навантаження, напругу зсуву, величину опору в ланцюзі катода і інші дані каскаду. На практиці такий розрахунок доводиться робити рідко, оскільки є готові типові режими роботи найбільш споживаних вихідних ламп. Це експериментально перевірені дані теоретичних розрахунків. У таблиці 4 приведені типові режими для роботи деяких ламп в однотактному вихідному каскаді (рис. 3.7 і 3.8, а).

Не рекомендується перевищувати вказану в таблиці анодну напругу, оскільки при цьому потужність, що розсіюється на аноді лампи, може опинитися більше допустимої величини. Це приведе до перегріву анода, погіршення вакууму в лампі і, зрештою, виходу її з ладу. По тих же причинах не слід зменшувати напругу зсуву.

Рис. 7.3 - Залежності вихідної потужності і коефіцієнта нелінійних спотворень від опору навантаження (для лампи 6П14П)

При відхиленні опору навантаження від необхідної величини зменшується вихідна потужність, і зростають нелінійні спотворення. Це видно з графіка (рис. 7.3), на якому показана, наприклад, для лампи 6П14П, залежність вихідної потужності і коефіцієнта спотворень від опору навантаження.

Конкретний тип лампи для роботи у вихідному каскаді слід вибирати з міркувань потужності, яка від неї вимагається, і напруги, яку необхідно подати на її вхід для отримання цієї потужності. Коефіцієнт нелінійних спотворень вихідних каскадів на всіх лампах, що приводяться, приблизно однаковий і складає близько 10% при повній вихідній потужності. Якщо необхідна вхідна напруга невідома, то його амплітуду можна прийняти рівною напрузі зсуву.

З даних ламп найбільшою крутизною характеристики (11,3 мА/В) володіє пентод 6П14П. Променевий тетрод 6ПЗС ось вже приблизно 30 років застосовується в тих випадках, коли необхідна велика вихідна потужність.

На закінчення нагадаємо, що величина Rc не повинна перевищувати 500 кОм, а ємкість С_к бажано вибирати фази їх протилежні. Відсутність змінної складовою в загальному дроті анодного живлення є важливою перевагою двотактної схеми. Завдяки цій властивості на опорі зсуву R_к виходить тільки постійна напруга. Значить, немає зменшення посилення за рахунок негативного зворотного зв'язку і не потрібно шунтувати опір R_к конденсатором великої ємкості. Крім того, відсутність змінної складовою в загальній ділянці анодного ланцюга усуває шкідливий вплив крайового ступеня на попередні ступені посилення через ланцюги живлення (про цей вплив розказано в наступному параграфі).

Перевагою двотактної схеми також є її мала чутливість до пульсацій живлячої напруги. Живлення напруження змінним струмом і недостатнє згладжування пульсацій анодної напруги у випрямлячі створює в двотактному ступені менший фон, ніж в однотактній. Це пояснюється тим, що лампи харчуються паралельно, і під впливом пульсацій живлячої напруги анодні струми пульсують з однаковими фазами, але змінні складові анодних струмів від цих пульсацій йдуть через половини первинної обмотки вихідного трансформатора в протилежних напрямах і їх магнітні потоки взаємно знищуються. Залишаються невеликі пульсації тільки із-за несиметрії схеми.

Двотактна схема дозволяє здійснювати роботу в особливих режимах, не допустимих для однотактної схеми, але що дають збільшені потужність і ККД.

Режим роботи на прямолінійній ділянці характеристики, коли коливання анодного струму досить точно відповідають коливанням змінної напруги на сітці, називається режимом посилення класу А. До цих пір ми розглядали саме тільки цей режим посилення. Попередні підсилювачі і однотактні крайові ступені працюють завжди в режимі класу А. Характерні його властивості наступні:

1) нелінійні спотворення виходять невеликими;

2) корисна потужність порівняно невелика, оскільки використовується лише прямолінійна ділянка, що становить невелику частину всієї характеристики;

3) постійна складова анодного струму I_а= рівна струму спокою I_а0 і має значну величину, більшу, ніж амплітуда змінної складової.

Останнє говорить про те, що підводиться до підсилювача від анодного джерела потужність постійного струму велика і велика її частина втрачається на аноді лампи. А коли на сітці, що управляє, немає змінної напруги, то немає корисної потужності і вся потужність, що підводиться, витрачається на нагрів анода. Теоретично ККД ступеню, що працює в режимі класу А, не може бути вище 40—45%, а практично він зазвичай буває нижчим. Таким чином, режим класу А невигідний відносно отримуваної корисної потужності і характеризується нижчим ККД.

Другий режим, званий посиленням класу В, полягає в тому, що робоча крапка встановлюється на початку нижнього вигину характеристики. Тоді імпульси анодного струму виходять тільки від позитивних напівхвиль змінної напруги на сітці. Цей режим встановлюється шляхом збільшення напруги зсуву і збільшення напруги збудження, тобто змінної напруги на сітці. Графік посилення в режимі класу В для однієї лампи показаний на рис. 7.4 а. Коливання анодного струму настільки сильно спотворені в порівнянні з коливаннями на сітці, що при такому режимі в однотактній ступені коефіцієнт гармонік досягає 40% і більш.

Зате виявляється можливим використовувати режим класу В в двотактному ступені. На рис. 7.4 6 і в показані графіки анодних струмів ламп двотактного ступеня, що працює в режимі класу В. Лампи працюють по черзі: то одна, то інша. Пульсуючі анодні струми ламп течуть в половинах первинної обмотки вихідного трансформатора в різні боки і створюють в його сердечнику магнітні потоки, що змінюються так само, як і струми, тобто відповідно графікам рис. 7.4 6 і в, але протилежні по напряму. В результаті сумарний магнітний потік буде мало спотвореним (рис. 7.4 г).

Таку ж мало спотворену форму має індуковане цим магнітним потоком напруга у вторинній обмотці. Отже, при неприпустимих спотвореннях в кожному плечі схеми, завдяки властивостям Двотактного ступеня, на виході виходить взаємна компенсація спотворень, і вихідна напруга має невеликі спотворення. Практично унаслідок несиметрії схеми і криволінійності характеристик деякі спотворення, звичайно, будуть, так що коефіцієнт гармонік може доходити до 10—15%.

Рис. 7.4 - Режим посилення класу В в двотактному ступені

Анодний струм в загальній ділянці анодного ланцюга при посиленні в класі В показаний на графіку рис. 7.4 д. Він має подвоєну частоту пульсацій, тобто не містить змінної складовою з як правило, буде не синусоїдальним, а складнішим. Всяке складне коливання складається з ряду простих синусоїдальних коливань — основного і вищих гармонік. Таким чином, посилитеся, спотворюючи форму підсилюваних коливань, додає зайві гармоніки, яких не було на вході підсилювача.

На рис. 7.5 показана синусоїдальна напруга на вході підсилювача U_вх і спотворена несинусоїдальна напруга на виході U_вых. В даному випадку підсилювач вносить другу гармоніку. На графіці напруги U_вых штрихом показані корисна перша гармоніка (основне коливання), що має однакову частоту з вхідною напругою, і шкідлива друга гармоніка з подвоєною частотою. Вихідна напруга є сумою цих двох гармонік.

Спотворення форми підсилюваних коливань, тобто додавання зайвих гармонік до основного коливання, називають нелінійними спотвореннями. Вони проявляють себе в тому, що звук стає хрипким, таким, що деренчить.

Для оцінки нелінійних спотворень служить коефіцієнт нелінійних спотворень k_н, який показує, який відсоток складають всі зайві гармоніки, створені самим підсилювачем, по відношенню до основного коливання (іноді коефіцієнт нелінійних спотворень називають коефіцієнтом гармонік або клірфактором.)).

Якщо k_н менше 5%, тобто якщо всі додані підсилювачем гармоніки в сумі складають не більше 5% першої гармоніки, то вухо не помічає спотворення. При величині коефіцієнта нелінійних спотворень більше 10% хрипкість звуку і деренчання вже псують враження від художніх передач. При k_н більше 20% спотворення абсолютно недопустимі і навіть мова стає нерозбірливою.

Звичайно, нелінійні спотворення відносяться до посилення не тільки синусоїдальних коливань, але і коливань складніше форми, як це буває при передачі мові і музики

Рис. 7.5 - Нелінійні спотворення

В цьому випадку також спотворюється форма підсилюваних коливань і додаються зайві гармоніки. Складні коливання самі складаються з гармонік, які повинні бути по можливості правильно відтворені підсилювачем. Їх не слід плутати з додатковими зайвими гармоніками, які створює сам підсилювач. Гармоніки, наявні у вхідній напрузі, є, корисні мі, оскільки вони визначають тембр звуку, а гармоніки, внесені самим підсилювачем, — шкідливі. Вони створюють нелінійні спотворення.

Причинами нелінійних спотворень в підсилювачах є: непрямолінійність лампових характеристик, наявність струму сітки, що управляє, в лампах і магнітне насичення сердечників трансформаторів або дроселів низької частоти, вживаних в підсилювачі. Всі ці причини будуть розглянуті далі. Значні нелінійні спотворення створюються також в гучномовцях, телефонах, мікрофонах, звукознімачах.

Інші види спотворень. Наявність в підсилювальному пристрої реактивних опорів приводить до появи фазових спотворень. Вони полягають в тому, що фазові зрушення між різними коливаннями на виході підсилювача виходять не такими, як на вході. При відтворенні звуків ці спотворення не грають ролі, оскільки органи слуху людини не відчувають фазових зрушень, але у ряді інших випадків, наприклад, в телебаченні, фазові спотворення роблять шкідливий вплив.

Кожен підсилювач створює також спотворення динамічного діапазону. Як правило, відбувається його стиснення, тобто відношення найсильнішого коливання до найслабкішого на виході підсилювача виходить значно менше, чим на вході. Це порушує природність звучання. З метою зменшення таких спотворень іноді в підсилювач вводять спеціальний пристрій для розширення динамічного діапазону, зване розширювачем (експандером). Стиснення динамічного діапазону відбувається також і у всіх електроакустичних приладах.