Введение
Снижение усиления из-за нелинейности
Сжатие усиления — это уменьшение дифференциального или крутизны усиления, вызванное нелинейностью передаточной характеристики усиливающего устройства при больших входных сигналах.
Обзор
При перегрузке усилителя за пределы его линейного диапазона происходит сжатие усиления из-за нелинейных характеристик схемы. Выходные сигналы большой амплитуды будут меньше ожидаемых при использовании малых сигналов, то есть увеличение входного сигнала не будет сопровождаться пропорциональным увеличением выходного. Сжатие усиления – это разница между идеальной линейной кривой передачи мощности и реальной кривой передачи мощности схемы. Важным параметром, характеризующим сжатие усиления, является OP1dB – входная мощность, при которой происходит сжатие выходной мощности (OP) на 1 дБ, что соответствует коэффициенту усиления 10, или 79,4%. Гармонические искажения возникают из-за нелинейных передаточных характеристик. А когда усилитель достигает своей максимальной амплитуды, сигналы обрезаются, что приводит к еще более сильным гармоническим искажениям. Нелинейность может быть вызвана нагревом из-за рассеиваемой мощности. Также, рабочая точка транзистора может смещаться с изменением температуры.
Актуальность
Коэффициент усиления при сжатии важен в любой системе с широким динамическим диапазоном, например, в аудио- или RF-системах. Он более характерен для ламповых схем, чем для транзисторных, из-за различий в топологии, что, возможно, является причиной различий в звуковых характеристиках, известных как "ламповый звук". Входные RF-усилители радиоприемников особенно чувствительны к этому явлению при перегрузке сильным нежелательным сигналом.
Аудиоэффекты
Ламповый радиоприемник или ламповый усилитель увеличивает громкость до определенного уровня, а затем, когда входной сигнал выходит за пределы линейной области работы устройства, эффективный коэффициент усиления снижается, искажая форму сигнала. Этот эффект также наблюдается в транзисторных схемах. Степень проявления эффекта зависит от топологии усилителя.
Компрессия радиочастот
Сжатие усиления в радиочастотных усилителях аналогично мягкому клиппингу. Однако в узкополосных системах эффект больше напоминает сжатие усиления, просто потому что гармоники фильтруются после усиления. Многие технические описания для радиочастотных усилителей приводят данные о сжатии усиления, а не об искажениях, поскольку их легче измерить и они более важны для нелинейных радиочастотных усилителей, чем показатели искажений. В широкополосных и низкочастотных системах нелинейные эффекты хорошо заметны, например, выходной сигнал обрезается. Чтобы увидеть то же самое на частоте 1 ГГц, потребуется осциллограф с полосой пропускания не менее 10 ГГц. При наблюдении с помощью анализатора спектра можно увидеть сжатие основной частоты и появление гармоник.
Примеры RF-сжатия
Усилитель радиочастотного сигнала с низким уровнем шума, подключенный через направленную антенну к потребительскому приёмнику 900 МГц, должен увеличить дальность связи. Он работает, но приёмник может также принимать несколько УВЧ-станций в районе 700 МГц. Например, если канал 54 передаёт 6 МВт в AM, FM и PM-модуляции, радиочастотный входной каскад, рассчитанный на уровень сигнала -80 дБм, будет серьёзно перегружен и генерировать продукты смешения. Это типичный эффект компрессии усиления.
Высокомощные громкоговорители
Сжатие мощности — это вид компрессии усиления, возникающий в звуковых катушках динамиков при их нагреве и увеличении сопротивления. Это приводит к уменьшению потребляемой от усилителя мощности и снижению уровня звукового давления.
Различие с преднамеренным сжатием динамического диапазона
Сжатие динамического диапазона — более общий термин, который обычно относится к намеренному сжатию и может выполняться как в цифровой, так и в аналоговой области. Автоматические схемы регулировки усиления специально разработаны для активного изменения общего коэффициента усиления в зависимости от уровня входного сигнала, что приводит к изменению передаточной характеристики во времени. В то же время, сжатие усиления является следствием нелинейности аналоговых усилительных схем, которое обычно нежелательно.