Амплитудно-частотные искажения
Частотные искажения определяются при заданном и неизменном входном напряжении сигнала UВХ, которое во избежание нелинейных искажений не должно превышать номинального значения UВХНОМ (обычно UВХ < 0,5UВХНОМ, что соответствует примерно середине линейного участка амплитудной характеристики усилителя).
На рис. 13 линией с длинными штрихами, параллельной оси абсцисс, показана идeальнaя амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), а сплошной линией – наиболее типичная для усилителей гармонических сигналов реальная АЧХ.
Для удобства анализа реальную АЧХ разбивают на три области частот: средние, нижние и верхние. В области средних рабочих частот peальнaя АЧХ совпадает с идeальнoй, так как коэффициент усиления по напряжению в области средних частот K0 практически не зависит от частоты. В областях же нижних и верхних рабочих частот peальнaя АЧХ отклоняется от идеальной, так как здесь K уменьшается относительно K0 из-за влияния реактивных составляющих сопротивлений в цепях усилителя и в нагрузке, а также из-за влияния инерционных свойств УЭ. Забегая вперед, отметим, что зaвал АЧХ в области нижних частот вызывается влиянием конденсаторов и трансформаторов связи, если они используются в усилителях, а в области верхних частот – влиянием инерционных свойств УЭ и реактивных составляющих нагрузки.
Рис. 13. АЧХ усилителя переменного тока
Частоты fН и fВ (рис. 13), на которых K уменьшается до допустимого (заданного) значения относительно K0, называют соответственно нижней граничной и верхней граничной частотами. Общепринятым является понятие граничных частот, отсчитываемых на уровне уменьшения коэффициента усиления в 
раз, что соответствует 3 дБ. Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения, ее уменьшение на этих частотах составит 
. Иногда их называют частотами полумощности.
Для усилителей звуковых частот (УЗЧ) и широкополосных усилителей средняя частота принимается равной 1 кГц, а для УПТ – равной нулю. Область частот от нижней граничной частоты fН до верхней граничной частоты fВ, в пределах которой изменения коэффициента усиления не превышают допустимых значений, называется диапазоном рабочих частот или полосой пропускания усилителя Δf.
В связи с тем что вносимые усилителем частотные искажения определяются неравномерностью его АЧХ в диапазоне рабочих частот, за меру частотных искажений принимают модуль относительного коэффициента усиления Y, представляющий собой отношение модуля коэффициента усиления на рассматриваемой частоте K к коэффициенту усиления на средней частоте K0: Y = K/K0/
Такие АЧХ усилителя называются нормированными. Нормированные АЧХ очень удобны для оценки изменения АЧХ усилителя при изменениях K в зависимости от изменений параметров усилителя или для сравнения АЧХ усилителей с различными значениями K0.
Для оценки частотных искажений усилителя наряду с относительным коэффициентом усиления Y применяют также коэффициент частотных искажений: М = 1/Y = K0/K.
Иногда в лабораторных условиях для ускорения обработки результатов эксперимента АЧХ усилителя строят в виде графика зависимости выходного напряжения UВЫХ от частоты при заданном и неизменном входном напряжении UВХ < 0,5UВХНОМ.
Меру частотных искажений Y и М часто выражают в децибелах:
Y (дБ) = 20 lg Y; M (дБ) = 20 lg М.
Очевидно, что Y (дБ) = –M (дБ).
Для перевода Y (дБ) и M (дБ) в относительные значения пользуются соотношениями: Y = 10Y(дБ)/20; M = 10M(дБ)/20.
На частотах, где Y = М = 1 (или Y (дБ) = M (дБ) = 0), частотных искажений нет. Чем больше Y или M в относительных значениях отличаются от единицы (или чем больше Y (дБ) и M (дБ) отличаются от нуля), тем больше вносимые усилителем частотные искажения. Очевидно, что при идеальной АЧХ усилителя частотные искажения отсутствуют.
В случае оценки частотных искажений всего (сквозного) усилительного тракта, т. е. усилителя вместе с его входной цепью, во всех рассуждениях вместо входного напряжения UВХ и коэффициента усиления по напряжению K следует брать ЭДС источника сигнала е1И и сквозного коэффициента усиления KСКВ.
В этом случае вместо K = UВЫХ/UВХ будем использовать
KСКВ = UВЫХ/е1И; М = 1/Y = K0СКВ/KСКВ.
Сквозные АЧХ и показатели KСКВ, YСКВ и МСКВ характеризуют усилитель с учетом свойств его входной цепи, т. е. сквозной тракт усиления.
В звуковых трактах возникает необходимость получать еще более полную информацию об АЧХ и частотных искажениях – сквозные АЧХ и частотные искажения с учетом влияния не только входной цепи усилителя, но и свойств звуковоспроизводящего устройства (динамика, колонки): при этом они оцениваются не по UВЫХ, а по звуковому давлению, создаваемому звуковоспроизводящими устройствами.
Диапазон рабочих частот (полоса пропускания) и допустимые частотные искажения усилителя определяются спектральным составом усиливаемых сигналов, т. е. назначением усилителя.
Для лучшего понимания этого необходимо представлять последствия, к которым приводят неточный выбор полосы пропускания усилителя и частотные искажения. В усилителях звуковой частоты (УЗЧ) частотные искажения проявляются в изменении тембра звучания, при завале АЧХ на высоких частотах ухудшается звучание высокочастотных музыкальных инструментов (скрипки, флейты и т. д.), а при завале АЧХ на нижних частотах ухудшается звучание низкочастотных музыкальных инструментов (контрабаса, барабана и т. д.). В видеоусилителях частотные искажения на высоких частотах ухудшают четкость изображения на экране кинескопа, в усилителях, предназначенных для использования в измерительной аппаратуре (в осциллографах, вольтметрах и т. д.), неравномерность АЧХ приводит к частотным ошибкам и т. д.
Ниже приведены примерные данные по диапазонам рабочих частот и допустимым частотным искажениям усилителей различного назначения.
В усилителях, используемых для усиления сигналов речи в телефонных каналах связи, диапазон рабочих частот самый узкий – от fн = 300 Гц до fв = 3,4 кГц при допустимых значениях М па граничных частотах 6 дБ. Это обусловлено необходимостью экономного использования отводимой для связи полосы частот и удешевления оборудования в каналах передачи речевой информации без ущерба для разборчивости речи, которая получается достаточной, потому что, во-первых, сам спектр речевого сигнала неширокий, а во-вторых, при узкой полосе частот уменьшается уровень помех.
В усилителях, предназначенных для записи, передачи и воспроизведения речи и музыки, диапазон рабочих частот и допустимые частотные искажения зависят от класса качества аппаратуры трактов звукового вещания. В усилителях среднего качества fн ≈ 70...100 Гц, fв ≈ 5...8 кГц при частотных искажениях порядка М < 2...4 дБ, которые почти незаметны на слух. В усилителях высокого качества fн ≈ 20...50 Гц, fв ≈ 15...20 кГц при неравномерности АЧХ менее 2 дБ.
В усилителях высшего класса качества может быть 0 < fн < 20 Гц и 20 < fв < 200 кГц при М ≤ 0,1...1 дБ (здесь выбор большого значения fв, превышающего самую высшую частоту звукового спектра fmax = 20 кГц, обусловлен стремлением лучшего воспроизведения быстрых перепадов громкости звучания).
В усилителях, предназначенных для использования в измерительной аппаратуре (осциллографах, вольтметрах и т. д.), fн ≈ 0...20 Гц, а fв до 60 МГц при коэффициенте частотных искажений порядка десятых и сотых долей децибела.
В телевизионных усилителях fн ≈ 50 Гц, fв ≈ 6 МГц.
В заключение следует отметить, что равномерная АЧХ (рис. 13), типичная для многих усилителей гармонических сигналов (УЗЧ, усилителей для измерительной аппаратуры, видеоусилителей и т. д.), неприемлема для некоторых других усилителей. Например, в усилителях воспроизведения магнитной записи АЧХ имеет более сложную форму, чтобы скорректировать частотные искажения различных участков звукового тракта и кривую чувствительности уха человека.