谈一谈收音机的高放电路


Posted in 无线电 onMarch 02, 2021

谈一谈收音机的高放电路

收音机天线输入回路和高放部分位于收音机电路的最前端,负责有用广播信号的获取和放大,这个部分对一台收音机的性能起着至关重要的作用例如灵敏度,底噪表现等,但它是如何影响收音机性能的,有什么设计奥秘却并不为爱好者们熟知,这也是困扰我很久的一个问题。要想很好的理解这些问题,需要一定的高等数学能力和高频电路基础,本人不是科班出身也只是略知皮毛,分享一下个人见解,有理解错误或不准确的地方在所难免希望高手批评指正。以下分析均基于外差机,因为这些矛盾都能在外差机上很好的体现出来。

输入回路,高放电路紧密结合在一起作为一个功能模块简称为RF amp,这个模块的输出再与本振信号一起经过变频器产生中频。RF部分负责从无数杂乱的无线信号当中筛选出有用信号(选频)并放大到一定幅值(高放增益),同时压制屏蔽无用的信号到尽可能低的水平。高放的输出信号应无失真,纯净,并有足够的强度,为变频级做准备。由于广播信号容易受距离天气等影响造成强度不一,因此高放电路要能无失真的处理不同强度的信号,这种强弱信号差异有时甚至会超过100db,选频高放电路处理这个差异的能力就是所谓的大动态,这是一个很重要的指标也是很难做好的。一个理想放大器的输入和输出应该保持线性关系,这样才能无失真的放大有用信号。简单的理解失真就是一个放大器输出了输入信号没有的信号成分或者输出信号的波形与输入不一致。可以想象,高放如果失真了后续的电路是不可能把一个失真的信号校正过来的,也就不可能有好的收听效果,要么听不到要么杂音大..。失真是如何产生的呢? 我的理解大概有两种原因:

第一就是信号强度太强,通过三极管的时候由于PN结的整流效应导致静态工作点发生了偏移。联想到三极管输出特性曲线,静态工作点上移或者下移,必将导致放大区域变窄而不对称,管子工作于截止或者饱和区,也就无法正常放大信号而出现失真。因此对于高放级的工作点是很重要很讲究的,所以一般的机器都有稳压措施,单独供电或者用二极管稳压,总之要千方百计的稳定工作点。稳定了工作点还不够,对于防过载阻塞,还有一个重要措施不得不提,那就是AGC。一般的AGC是通过后级输出采样来控制前级的增益。例如用检波后的直流电压分量来控制高放级工作点,一般工作于反向AGC模式下,即输出电压增大,高放管工作点下降。AGC措施有很多种,高级收音机或者收 信 机上,AGC受控点可以有好几处,例如同时控制高放管和中放管等,AGC占了很大一部分电路的比重,足以看出他的重要性。某种程度上说, AGC的完善与否和AGC的增益控制范围是区别机器等级的一个标志,但是一般的机器性能指标都不会标注出来。值得一提的是,AGC也不是万能的,有些情况下,AGC措施也没法避免强信号阻塞,所以高级机都配有MGC来手动控制增益,AGC不起效的原因,下文会提到。

第二种原因是比较难理解的。高灵敏度高增益与大动态本身是一对矛盾。增益高了动态必然小,动态大了意味着灵敏度有妥协,就像中周的Q值与通频带带宽的关系一样,只能尽量平衡,无法兼得。有些收音机厂家为了迎合大众对灵敏度的盲目追求,绝对灵敏度设计的很高,这必然导致底噪大,而且声音也失真,使用体验差。其实高级收音机或者收 信 机例如139,239之类,高放部分的增益设计的并不高,它设计的侧重点是高的稳定性和高动态。有人可能会问,增益设计低了换取了大动态保证强台不阻塞,那弱台接收会不会有问题呢?看似会,但实际不会,前级增益略低完全可以通过后续电路弥补。其实造成弱台接收困难的原因很多时候并不是因为高放灵敏度低造成的。别忘了,收音机是一个系统,能不能很好的接收弱台并不全是高放级决定的,还有后续的变频级和中放级,它们都是有很高增益的。一台好机之所以好,就是因为各级之间增益分配和阻抗匹配更合理,使得灵敏度,选择性和底噪控制等更趋于合理。所以从这点上看,高放灵敏度不是唯一不是全部。当下电磁环境错综复杂,各种电波都会与有用电台一起混入收音机天线,如果这时候电台信号相对弱,那么就会被噪声淹没而无法收听。这个淹没的过程用术语说就是交调和互调干扰。半导体器件属于非线性器件,因此可以用来混频和检波。但是用来放大信号的时候,非线性就会带来负面影响。比如,邻频干扰是强台的时候,它的谐波会在高放管内与目标电台发生混频作用,从而调制出一个新的频率,这个新频率称为三阶互调(交调)产物,他的频率非常接近目标电台,而且幅值很大,足以淹没目标电台还无法滤除,因此收音机会解调出一片噪声而无法收听电台。可见三阶互调产物是必须杜绝的。举个例子,家里如果有微波炉,充电器,节能灯之类的射频器件工作,往往会严重干扰收音机而无法收听就是这个道理。三阶互调干扰发生时,检波器往往不能检出有用信号,也就无法为AGC提供控制电压,AGC不起控,高放级也就无法摆脱过载状态,这时候必须人为干预,通过MGC降低增益来改善,也可以通过信号衰减来预防过载阻塞。
 
互调和交调失真往往相伴相生,都是由于器件的非线性作用引起的三阶失真,大可不必深究他们的区别,因为解决办法大体一样,应该从提高天线输入选频能力和器件本身的特性选择入手。选频能力强的依然是传统的LC槽路,它有很高的Q值,可以把有用信号放的很大,把杂散信号衰减到很低水平,经过这样的选频之后,交调互调干扰的机会大大降低,飞利浦1835就采用的这样的设计,因此它短波底噪非常低灵敏度很高,声音也很保真。另一方面就是电路设计和器件选择方面的措施,尽量选择特征频率高的器件,并且保证本振振幅波形尽可能大,例如场管加上平衡混频方式,配合合适的工作电流使得三阶结点频率尽可能高获得最大的动态范围。再有就是强大的AGC措施,AGC可控增益范围越大,意味着高放适应性越强。


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