介质放大器

随着无线电技术的迅速发展，对无线电设备的可靠性提出了越来越高的要求。实践证明，电子管设备的可靠性是不够满意的，设备的故障大约有50％以上是由于电子管的损坏而引起的。为此，人们进行了很多研究工作，想办法采用另外一些器件来代替电子管，作成各种无管放大器。介质放大器就是其中的一种。介质放大器的工作性能稳定，坚固性和可靠性高，能耐受振动和冲击，且能够在高湿度、低气压或高气压的情况下工作。这种放大器还有放大倍数大、输入阻抗大、工作时不需要预热，体积和重量都很小，价格便宜，工作寿命很长等优点。

介质放大器是利用一种特殊的电容器做成的，这种电容器叫压敏电容器。压敏电容器和一般电容器不同，它的电介质具有特殊的性质：第一，电介质的介电常数ε特别高；第二，在外加电压的作用下，ε的值能在很大的范围内变化。像钛酸钡、钛酸钡锶、酒石酸钾纳等电介质都具有这些特性。钛酸钡等的这些特性和铁磁性材料有相似之处，例如，铁磁性材料都具有很高的导磁率μ，而且μ是随着磁化电流的变化而急剧变化的。根据这种类比，常把上述电介质叫做铁电体。这并不是说它含有铁的成分，而是说它的性质和铁磁体有类似之点。

既然铁电体的介电常数ε随外加电压而变化，所以用铁电体做成的电容器——压敏电容器——的电容量也要随外加电压而变化。一般说来，在没有外加电压时，压敏电容器的容量最大，在外加正向或负向电压时，电容器的容量都很快地减小（见图1a）。既然它的容量随外加电压的增加而减小，因此当频率固定时，它的电抗就随外加电压的增加而增加（图1b）。介质放大器就是利用压敏电容器的容量随外加电压而变化这一特性制成的。

目前已制成各种类型、各种结构和各种标称电容量的压敏电容器。其外形一般为小圆片（见图2），圆片直径为1.6～25毫米，厚度为0.3～0.6毫米。其标称电容量由一个微微法、十几微微法到一个微法、十几个微法。介电强度约为12千伏／毫米。介质的绝缘电阻一般在1000兆欧以上。

介质放大器的工作原理和磁放大器相似（参看本刊1964年第12期“磁放大器”一文）。把电容器C接在有交流电源u\(_{r}\)的电路中（图3），再设法改变它的电容，就可以调节电路中的电流强度。电容器的容量加大时，它的阻抗减小，电路中的电流就增加；反之，电容器的容量减小时，它的阻抗增加，电路中的电流就减小。如果电容量按图3中左面的曲线随时间变化，那么电路中交流电流的幅度也就按着同一规律变化，如图3中右面的曲线所示。

如果我们把图3中的可变电容器换成前述的压敏电容器，并在这个电容器的两端加上待放大的信号电压，那么，随着信号的变化，压敏电容器的容量就相应起很大变化。这样，电路中的交流电流幅度也要起很大变化。如果电路中作为负载的电阻R的值足够大，那么，R上的交流电压幅度也将随着信号电压起很大变化。这时R上所得到的是已调幅的信号电压。如果再接一个检波器，就可以得到和输入信号完全一样的但是已经被放大了的信号电压了。

根据前面所说的情况，我们可以画出介质放大器的原理电路如图4所示。图中C是压敏电容器。u\(_{r}\)是等幅的交流供电电源，频率为fr。u\(_{s}\)是待放大的信号电压，频率为fs。u\(_{R}\)是幅度按us规律而变化的已调幅电压，经过检波器D的检波后，得到了被放大的信号电压u\(_{R}\)′。另外，H是一个扼流圈，用来阻挡高频fr的电流流入信号电路，免得信号源对电容器起旁路作用。E\(_{c}\)是偏压电源，用来建立合适的工作点。

E\(_{c}\)的作用需要作进一步说明。如果不要Ec，那么，由于信号电压向正的方向或向负的方向变化，电容C都要减少，因此C的变化频率比u\(_{s}\)的变化频率要提高一倍（见图5a），与待放大的信号的形状完全不同。这样，放大器就会产生很大的失真，当然是不能容许的。不过，顺便说一下，利用这一特点，倒可以做成一个很好的倍频器。

加上偏压E\(_{c}\)后，就可以把介质放大器的工作点搬到上述曲线的斜边上（图5b）。这样，当信号变正时，C就变大，信号变负时，C就变小，电容C的变化规律和信号的变化规律相符合。如果适当设计Ec的大小，就可以使输出信号的失真达到最小。

我们可以把介质放大器的工作和电子管的工作作一比较。在电子管中，需要用适当大小的栅偏压来确定放大器的工作点，电子管的屏极用直流电源供电，加在栅极上的信号电压是用来控制屏路（工作电路）中的直流电流的，直流电流的变化在负载上形成被放大了的信号电压。在介质放大器中，也需要用适当大小的“栅偏压”来确定放大器的工作点，不过这种放大器是用交流电源来供电，加在压敏电容器上的信号电压是控制工作电路中的交流电流幅度的，需要经过检波才能在负载上得到被放大了的信号电压。还应当指出，介质放大器的供电电源不但要用交流的，而且它的频率f\(_{r}\)需要比信号频率fs大许多倍，这样才能被信号电压调幅，保证介质放大器的正常工作。

在前面的分析和图4的电路中，为了清楚起见，把负载电阻分成R和R′两部分，而把检波器D接在两者之间。实际上，检波器可以直接串在负载电阻R、电源u\(_{r}\)和压敏电容器C之间，如图6所示，这和前一电路并没有原则上的区别。

介质放大器的应用电路很多，这里我们只简单介绍几种。

在图7中，我们把压敏电容器和电感线圈接成一个并联振荡回路，并把这个振荡回路调谐到交流电源（u\(_{r}\)）的频率上。我们知道，当并联振荡回路处于谐振状态时，其两端（a、b）的阻抗最大，因此其两端的电压也最大。当回路失谐时，a、b两端的电压就急剧减小。如果把输入端加上信号电压（us），那么，由于C值变化，回路的失谐程度就变化，因此a、b两端的高频电压幅度也就随着急剧地变化，把这个电压检波以后就可以得到放大了的信号电压。这种放大器的放大倍数很大，可以达几百倍甚至几千倍。

介质放大器也可以接成桥式的和多级放大的电路，图8即是一例。u\(_{s}\)是待放大的信号电压，加在第一级桥的两个顶点，ur1是交流电源电压，加在桥的另外两个顶点。从c、d两点看，桥的两支路是由两个串联的电感线圈L\(_{1}\)、L2和两个串联的压敏电容器C\(_{1}\)、C2组成的。如果L\(_{1}\)=L2，C\(_{1}\)=C2，那么不论有没有信号电压u\(_{s}\)输入，对交流电源电压ur1来说，a、b两点的电位都是相等的，因此在任何情况下都不会有电源电流通过信号源，可以节省一个高频扼流圈。当有信号电压u\(_{s}\)输入时，压敏电容器C1和C\(_{2}\)的容量就发生相应的变化，从而使电源电压ur1在负载电阻R\(_{1}\)和电桥上的压降重新分配，即通过R1的交流电流的幅度发生了变化，其变化规律和u\(_{s}\)相同，但是已经得到了放大。把这个放大的电压经过检波后再加到第二级输入端，就可以继续放大，而第二级的放大作用与前级相同。

如果需要增大放大器的输出功率，则可以采用图9所示的推挽式线路。图中u\(_{s}\)是待放大的信号电压，这个电压耦合到变压器B1的次级后，将以相反的方向加到压敏电容器C\(_{1}\)和C2上，使C\(_{1}\)和C2的容量变化情况刚好相反，因此交流电流i\(_{1}\)和i2的变化方向也正好相反，即i\(_{1}\)增大时，i2减小；i\(_{1}\)减小时，i2增大。它们耦合到B\(_{2}\)次级线圈中的电流是互相叠加的，因此输出功率便增加了。

上述介质放大器目前还不够完善，效率较低，输出功率较小，参数不够稳定。这主要是由于铁电体的介质损耗较大、具有老化效应、以及性能会随温度而变化等造成的。但由于介质放大器具有前面所说的许多突出的优点，所以它受到人们很大的重视，可以相信，这种新型的放大器是具有很大发展前途的。(黎明)