收音机的分析——Ⅱ

这次我们用一些简单的计算，对收音机中由输入高频信号变为声音的过程，进行更具体的分析。但有些基本概念还应当做必要的补充说明。

上次，我们谈到了电子管内部杂音的问题，把实际的电子管用一个理想的完全没有杂音的电子管来代替，但在它的栅极上外加一个所谓“噪声电压”来表示它的内部杂音的作用。这里，我们再指出：任何一级电子管，由栅极到阴极，一定少不了有线路接通，在通常的温度下，构成这线路的导线里的电子，总是不停地在作极不规则的热运动，也就是通常就有极不规则的电流通过这导线内的电阻，产生电压加到栅极上，这也是一种“噪声电压”，它和代表电子管内部杂音的噪声电压，在栅极上几乎永远是同时存在的。这样，我们必须将这两种噪声电压综合计算的结果，来和信号大小相比。这是我们要说明的第一个概念。

一般收音机所接收的信号是广播电台发出的调幅信号。从前我们谈调幅的时候，曾经说明调幅度不能超过100%，否则就立刻引起失真。但是播音室的播音者所发出的声音，音量的大小差别，可能是很大的。为了要保证相当于最大声音的调幅度不超过100%，那么普通声音的调幅度就比较小。因此一般广播电台在播送节目时，平均调幅度约为30％，这也就是我们所接收到的信号的调幅度。这是第二个概念。

我们谈二极管时，曾经说明它可以担任检波。这里所指的检波，是把中频变为音频的过程。一般收音机里的检波，可能是用复合式电子管中的二极管都分，也可能单用一个二极管，所以检波作用和二极管的特性有密切关系。我们谈二极管的特性曲线时，曾经指出它的极下部分是弯曲的，换句话说，要它不失真地完成检波，信号不能太小。一般假定所需最小的信号电压应不低于0.5伏。这是第三个概念。

我们晓得收音机有许多级，每级都有增益——就是它的输出端电压对输入端电压的比值。对各级的增益，我们可以根据经验。举出下列的一些典型数值：

高频放大级…………5到20混频级（输出中频电压对输入高频电压的比值……………50到90

中频放大级…………………50到200

音频放大级………………（小于电子管的μ）

这些级是串连的，例如我们共有五级，它们的增益分别为10，50,100，30和30，那末所得的总增益就是10×50×100×30×30，而不是（10＋50＋100+30＋30）。道理很明显：假设第一级的输入电压是1微伏，它的输出就应当是1×10=10微伏；若第二级的输入是10微伏，它的输出就应当是10×50=500微伏。那么，第二级的输出比第一级的输入就大了50×10倍，而不是(50＋10）倍。不论有多少级，增益总是逐级相乘。

用电压的倍数来表示增益，并不是惟一的办法，更简单合理的办法是用“分贝”，我们可以附带说明一下，假定只用一级时，输出的音频电压增益是2倍，在负荷上输出的音频电力增益便是2\(^{2}\)=4倍（因P\(_{〔电力〕}\)=E2（电压）R（负荷电阻））；倘若用两级，电压增益共为2×2=4倍，音频电力的总增益是4\(^{2}\)=16倍，和只用一级的情形相比，人耳所受到的声音刺激虽然增加了16/4=4倍，但感觉得到的音量的增加不是4倍而是2倍。同样，若再加一级使音频电力的总增益变为43=64倍，人耳只感觉到音量增加了3倍，而不是64/4=16倍。这是人耳的一种特性，这对声音大小的感觉，按所受音量刺激的指数而变化。换句话说，如果最初的刺激（刺激相当音频输出电力）是A，当刺激变为A\(^{5}\)时，便感到声音大了5倍；刺激变为An,感觉到的声音就大了n倍。这种人耳的特性和数学上求一个数的对数的结果是一样的。例如，当logA=1时，logA\(^{2}\)=2，logAn=n。换句话说，人耳所实际感觉的声音变化，和一个数的对数变化一样。这一特性，使我们很自然地想到：设A=A1\(^{n}\)=A\(_{2}\)，A的变化倍数=A2;A\(_{1}\)，于是人耳感觉的变化=n=logA2A\(_{1}\)，从而得出表示人耳感觉上变化的数字“分贝”来，即：分贝=10logA2;A\(_{1}\)。“分贝”是能更好地表明线路里电力或电压变化所起的作用多少的实际单位。这里用10logA2A\(_{1}\)而不用logA2;A\(_{1}\)，是为了一般求变化即求增益的方便，把单位增加10倍，就像我们为了方便，不用公分做长度的单位而用比它大10倍的公尺做单位一样。如果某一级的增益，按电压比计算是10，按电力比计算是102，按分贝计算就是10log10\(^{2}\)=20。倘若再加这样一级，它的增益也是20分贝，总增益按电压计算是100，按电力计算是1002=10\(^{4}\)，按分贝计算就是10log104=40=(20+20）。因此，用分贝做为单位来表示各级的增益时，总增益再不是每级的增益相乘，而是每级的增益相加了。这是我们需要介绍的第四个概念。

有了这些概念，再看一部收音机的高频和低频部分在放大作用上是怎样分工的。

广播电台来的信号，走的距离有远有近，因此到达接收天线的信号有强有弱，同时接收天线形色极不一致。在这种情形下，人们有一种错误的想法，以为收音机的输入变压器一定是尽量把信号电压升高，使收任何微小的信号及用任何不良的天线都有良好的声音。事实恰好相反，近代收音机的特点之一就是输入变压器的初次级只有极松的相互交连，实际得到的不是电压升高，而是大大地降低。因为交连松，所以天线电流流经初级线圈所产生的磁力线，只有很小一部分穿入次级线圈，在次级里感应的电压自然很小。这样做的目的，一方面是利用天线来得到输入电压，一方面又把天线回路和次级拉开得相当远，让次级的调谐回路不因用了不同的天线，或当天线在使用中有所改变时而受到影响，以符合同轴调谐的要求。所以通常在这次级线圈里的信号尽管因有输入调谐回路可以升高约100倍才加到第一级的栅极，但实际由收音机的输入端到第一级栅极上的电压净增益，往往不过5倍，就是输入变压器反使信号电压降低的缘故。

对第一级栅极说，输入调谐回路是并联调谐的，因此它相当于一个极大的等效电阻，热励电流在这等效电阻上所产生的噪音电压、在广播带一般比相当于电子管内部的噪声电压还要大，它们的综合结果对近代常用的高频电子管来说，可以假定约有3微伏的噪声电压加到第一级的栅极上。这些噪声和信号在栅极上相遇时，对信号产生调制作用，因此加到这栅极上的一个信号的调幅部分，至少应当等于3微伏，才能克服噪声，发出良好的声音。则否，尽管以下各级的增益很大，尽管整个收音机的灵敏度很高。也发不出良好的声音。我们寻常用一般收音机收听广播，每逢电台的信号太弱就会收不好。原因就在于此。收音机输入的信号E\(_{sin}\)究竟至少要有多大，才能收得好。可以这样计算：

根据上面的说明，得E\(_{sin}\)=3微伏/5×30%=2微伏。这是在假定噪声电压为3微伏时一部最好收音机所能接收的最小信号。从天线输入到检波级输入，为了保证声音不失真，信号应当由2微伏变为0.5伏，除了输入回路在5倍的增益外，其余增益应当由高频、混须及中频级产生。即

假定有一收音机，用6K8做混频级，6K7做中频级，6H6做检波级中频变压器质量并不太高，根据一般经验：

那末，总增益只有5O×90=45OO，用这部收音机来接收2微伏的信号显然不够，因为增益还差1660004500=37倍，要使这部收音机能接收小到不能再小的信号（即2微伏），有几种办法即改善中频电子管并提高中频变压器的质量或另加一中频级；或另加一高频级；或既加高频又改善中频变压器。究竟哪一种办法比较好，各制造厂凭自己的经验。意见很不一致。假定我们加了一6K7中频级，那末，根据一般经验：

于是总增益为50×130×90=585,000，结果增益比166000过大，远远超过需要。这样，在两中频级就产生了130×90=11700倍的增益，同一频率的增益过高，容易发生尖叫，还得在其中一级的中频变压器上加一并联电阻，酌量减低增益。假定我们改善中频级和变压器，使一级的增益达到16600050=3320倍，事实上很不容易做到。最普通的办法是另加一高频级，假定也是用6K7，根据经验，这一级的增益平均约为15。它的变化范围是5—30，随所接收的频率是高或低而变化（理由已在上次说明）。例如，收3000千周信号时，这一级的增益可高到30，而收10兆周信号时，它会降到接近于5。所以如果仅加一高频级，最好的情形增益是30×50×90=135000倍，很接近166000倍，能接收微弱信号的能力仅次于一部最好的收音机；而最不好的情形，增益是5×50×90=22500，比所需要的增益还少166000／22500=7倍，这时接收微弱信号的能力比最好的收音机就差得多。为了补救起见，可同时改时中频变压器，例如使6K7到6H6的增益提高到300，那么增益的变动范围就是由30×50×300=450,000到5×50×300=75,000。普通收音机在接收微弱信号的本领上有差别，有变化，原因就在于此。

这也说明，在用一级中频的情况下，收音机的接收情形还难免有相当大的变化，最好的情形赶得上最好的收音机，最不好的情形一般就要差些。如果不是考虑到信号杂音比值的增加和像频干扰等问题，倒不妨不用高频级而用两级中频。因此，上等收音机，是既用高频放大级，又用两级中频。这样，增益经常是大大超过需要，为了免除输出的音量经常太大，宁愿再加良好的自动音量控制器，使扬声器发音稳定。

这次我们更具体地谈了在一部超外差式收音机中，检波以前各级线路在放大作用上的分工，下次我们再对音频部分进行类似的分析。(沈肇熙)