[2010台式收音机设计之三——中频之旅]

（1） 电路程式：
设计中频放大器首先应该确定放大器的总增益。 如前文所述，假如设计信噪比10db灵敏度为天线输入0.1uV，而2级高放的总增益为28db, 经过放大的信号幅度已经达到25uV。混频电路假如有5db的增益，输出信号可以达到44.5uV。对于普通的二极管检波器而言，理想的工作电压{zh0}有1000mV, 让它工作在大信号状态，可以减小失真，这样需要中放有87db的增益，例如设计90db。
在我以前的文章中，曾有分析集成电路中放增益高，信噪比差的理论，并分析了在同等增益下，使用的放大级数越多，最终噪音将越大。但单级放大的增益不能太大，只能在30db左右，所以设计3级中放可以满足总增益的要求。新式的中放有集中式滤波倾向，用一堆三极管组成高增益的级连直流放大器，然后用陶瓷滤波器来集中滤波，一般仅在输出输入端设有滤波器。这种电路不仅出现在集成芯片里，也出现在一些高级的分立器件接收机电路里，如果说该设计属于先进技术，我却看不出来它有什么优点。用直流电阻作负载的放大器增益做不高，噪音却堆积得很大。我会设计传统的电路，分级滤波。
在修调R71E型接收机的过程中，当我调整中频频率时发现，它的很多只中周谐振曲线都比较平坦，似乎Q值很低，在谐振点左右调整，增益的变化很不明显，后级中周更是如此，几乎找不到谐振点，这一现象让我思考很多。其实不仅是R71E如此，有很多收音机，接收机的中周都是如此，似乎相当不敏感。其实任何电感线圈的Q值都不会太低，自由谐振曲线都比较陡峭，但如果在线圈上并联一个不大的电阻，它的曲线就会表现成这个样子，如果这样的中周被用在放大器电路中，那么电路增益就不可能做高，选频特性也不可能做好，这种设计我认为是失误；但是如果相反，让中周的固有Q值保持在很高的状态下，那么其通频带特性就不好了，通频带过窄，高音会损失太多，频率失真明显。一般的传统中放初级线圈抽头匝数太多，次级圈数也较多，使得三极管较小的输入输出电阻并联在中周上，把Q值拉得太低，效果很不理想，因此在我的设计上就特别注意这个问题。
采用3SK122之类的双栅MOS管做中频放大同样是理想的。这种管子相当于共源共栅级连器件，输出阻抗比较高，输入阻抗非常高，直接并联在中周热端上对其Q值也不会有影响，这样一来就能够取得较高的输入电压，中周等同于升压变压器，这样单级放大器就能得到较高的增益。但是有一个增益控制问题需要考虑，又不适合把双栅管的第二栅极作为增益控制之用，详见(3).

（2） 中频滤波器：
普通的单调中周就是一个LC谐振回路，它的谐振曲线是自然状态的，一座陡峭的山峰，峰顶的-6db带宽大约只有谐振频率的2%，十分尖锐，对455KHZ的中频来说，只有910HZ，不足以满足{zd1}的音频播放要求。然而并联了电阻的中周曲线就会变得平坦很多，通频带加宽了，但是选择性也变坏了。设计师理想的中频滤波器应该有边缘陡峭的带通曲线，带内平坦均衡，带外迅速下降，衰减到零，这样既可以保持音频需要的带通宽度，又可以使选择性不受影响。可惜的是，普通的中周没有这样的曲线，它们的带通曲线像大自然里的山峰，带内不均衡，带外衰落缓慢，结果处于矛盾状态，你要加宽通频带选择性能就会大降；你要提高选择性带通就变窄。于是人们越来越不满意中周的效果，开始大量采纳陶瓷滤波器来取而代之。这种独特的晶体滤波器应该属于机械滤波器，是依靠源侧产生高频震动，次侧发生压电效应来工作的，它的固有谐振频率就是滤波器的中心频率，而其通频带曲线要比中周更好，尤其是当几只陶瓷滤波器复连时，带通曲线可以表现得更出色；同样通过复杂的网络结构，人们能够制造出不同通频带，不同曲线形状的滤波器。优秀的三端陶瓷滤波器在内部常用几只滤波器组成，性能优异，带外衰减很快。
任何事情都是有两面性的，有优点必有缺点，当人们把目光就盯在优点上时，常会忽略其严重的缺点，这也适合中周与陶瓷滤波器。很早以前我就研读过关于高频信号通过滤波器的失真问题的文章，文中详述了当高频信号通过形状理想的带通滤波器时产生的多种失真，特别是当高频信号没有xx地符合滤波器的谐振频率时产生的群时延失真，会把波形都给变异。通频带曲线下降得越陡峭，这种失真就越严重，这是调幅接收失真大的主要原因，这是陶瓷滤波器的{dy}个弊端。
另一个问题是我的老生常谈了，使用陶瓷滤波器的放大电路只能用直流电阻来作为负载，如果阻值太高直流电压降就太大，以至于留给管子的电压太低；如果阻值太低就不可能取得足够的单级增益。相反，中周谐振回路可以直接作为放大器的负载，当回路处于谐振状态时等效交流阻抗会很高，这使放大器的增益可以做得足够高，但中周线圈的直流电组阻值极低，几乎没有直流压降，这就不会降低放大管的效能，不会压抑动态。如此一来，使用陶瓷滤波器的电路就需要用一连串的放大级来满足总增益要求，而使用中周的电路只用较少的几级放大电路就足够了。一方面，用电感作负载的放大器本身噪音低于用电阻作负载的电路；另一方面，在同等总增益的情况下，放大级数越多，最终的噪音电平越高。如此看来所谓现代化的集中滤波中放电路竟没有一点儿优点（不能这样说，优点是成本低，易于高度集成，几乎不用调试），现在的所有收音机集成电路都是这样设计的。
我认为，比较理想的中频滤波器还是应该由中周组成，注意不是用单只中周，而是用一堆中周构成网络，通过复杂的设计可以得到非常理想的带通曲线（不是很陡的衰减），但这样做的成本非常高昂。我的此机设计仅仅是一个初级方案，所以最终采用了3对双调中周加1支单调中周的简化方案。双调中周器件易于DIY，通频带也容易靠转换电容来控制，用了1支单调中周的目的是尽可能减轻双调中周在宽带时产生的中点曲线下降问题。在这一点上R71E设计得不错，它带有中频滤波器插座，你有可能把各种不同性能的滤波器插装到主板上来试验，非常适合实验/DIY理想的滤波器。
关于通频带的转换问题，我一度作过一些实验，试图利用开关二极管来转换电容器，结果却不理想。一方面开关二极管电路需要接入不大的电阻，这会把中周的Q值拉低太多；另一方面由于二极管的作用，使滤波器的曲线产生变形失真，{zh1}只好接受失败。用微型继电器来转换电容比较理想，但是用机械开关还是更省电，并能够记忆状态。

（3） 增益控制：
先说说AGC的作用吧。当电路被加上深度AGC时，放大器的固有增益在无信号输入时就会体现自然状态——处于{zg}，一旦有信号进入，随着信号强度的增加，放大器的增益会被压得越来越低。可以想象，当我们调谐收音机时，电路增益处于{zg}状态，天线接收到的噪音和本机噪音会被放得很大，一旦有电台信号，增益马上降低，噪音也随之减小。这样的结果导致调谐操作比较难受，噪音震耳欲聋（专业接收机）。短波信号的传播有自然的间歇衰落现象，在AGC的作用下，这种衰落会导致噪音喘息现象，虽然表象上收音机的音量变化不大，但信号衰落时扬声器放出来的都是噪音，并没有改善听感或可懂度。因此我是不欣赏AGC设计的。然而不可否认的是，适当的AGC还是能够起到一定的作用，可以使音量变化的幅度减小，所以在此机中我还是保留了中放AGC，与MGC一起用开关转换。AGC的作用不要太强，能控制60db增益已经足够了。
许多专业接收机在增益控制方面的设计都是失败的，包括退役军机。过去依靠调控三极管的静态工作电流来改变其增益，后来依靠调节双栅MOS管的第二栅压来改变增益，其实作用原理都一样，依靠减小管子的工作电流来降低放大器增益。这样做有两个弊端，其一是在接收强信号时，需要很低的增益，这时管子的工作电流被降得太低，结果其动态范围大为下降，很容易出现阻塞失真；其二是随着电流的减小，管子内阻变高，这导致中周的Q值上升，通频带变窄，结果刚好相反，本来我们希望在接收强台时通频带能够加宽，以便得到更好的音质。
我在设计中放电路时对其增益控制考虑很久，又要能够实现控制，又不能影响中周的Q值，这很难实现，肯定不适合采用一支双栅MOS管构成单级电路。比较理想的方式为，在放大器的输入端或输出端插入两侧阻抗都不变的T型或n型衰减器来控制增益，比如那种用于信号发生器中的用电阻构成的多级衰减网络，依靠波段开关来控制衰减量。但这种电路怎么能实现自动控制呢？我考虑过使用3支JFET场效应管构成网络，然后通过控制每只管子的结电压来调整它的衰减量，但这样的单元极难实现，又要构建复杂的多路控制电压，又要使每只管子的内阻xx，这很难实现。我也考虑过使用3支光偶来组成衰减器，用3支热敏电阻来组成，等等，但这些器件的固有噪音又成了大问题！
{zh1}的方案我使用共源JFET接续PNP三极管共基电路来作中放，在两级之间插入电阻加单只JFET管构成的衰减器，控制JFET的结电压来控制放大器的增益。当JFET导通时，通道信号被旁路到地，交流阻抗的变化位于两级放大器之间，对前后中周的影响都很轻微，因此不会影响到通频带特性。PNP三极管构成的共基电路输出阻抗较高，不会给中周造成沉重负担，还能够直接把中周接地。

（4） 检波器：
历史上使用最多的还是二极管检波器。在一段时期曾出现过用微导通的三极管做检波的电路，虽然它具有增益，但失真比二极管检波大，并不理想。
二极管是一种单向导通的半导体器件，但它的性能并非理想。硅材料的PN结需要有600mV以上的电压才能导通，而锗材料的PN结也需要200mV以上。那么如果信号电压小于200mV呢，在临界导通状态，解调出的音频失真很大。出于此原理，前人试图给二极管加上一个人为正向偏压，使它处于临界导通状态，这样，再迭加上不管多大的信号都可以正常解调出失真很小的音频了。这种电路常被用在高级收音机里，也被一些老军机采纳了，但它也有缺点，就是对噪音的抑制作用大为减弱，任何幅度的噪音电平都会轻易被解调出来；另一方面，由于检波器的内阻大大降低，结果使中周受到影响，负载变得沉重，带通曲线变坏。
从理论上有一种理想的检波器，是由运算放大器来模拟的，它的检波线性极好，没有死点，无论多大幅度的高频信号都可以被解调，到如今没有人采纳这种电路大概仅仅是出于成本考虑，而我还怀疑它的固有噪音是否太高。
我的初步设计也是采用普通的二极管检波，没有加正偏压，在增益的设计上尽可能使检波器处于大信号工作状态，例如800mV以上。检波电路的负载电阻用得较大，因为低放部分的输入阻抗很高，没有必要设计太小的检波负载。

（5） 中放结构：
中放单元的调整部件较少，只有一个带通选择开关，因此很适合把它安装在密封的金属屏蔽盒中。带通开关不容易解决，使用普通的波段开关难以布局，很容易引起交联与寄生振荡，我采用自己的结构，见[高频头设计]一文。屏蔽盒的内部分成3个空间，每个空间里装配一级中放。

Jackwrh 20100336