无线电广播信号是已调制波,其目的是为了用高频载波来运载音频信号。收音机收到广播信号,经变频后虽然已经变为中频,但仍是已调制波,只是其中的载频变低为465千赫,其中包含的音频(包络线)仍保持原样不变,如果将这一中频信号直接送到喇叭上,是无法听到声音的。要使喇叭放出音频信号,还必须将原来调制在高频已调制波上的音频信号检出来,或是说分出来,这个过程就叫做“检波”。它与调制过程正好相反,因而也叫“解调”。
检波过程,即从已调制波中检出音频信号的过程,必须有非线性器件才能实现。进行检波的这种非线性器件,通常叫做检波器,譬如在半导体收音机中,都用半导体二极管作检波器。
输入检波器的信号电压U\(_{入}\)的大小不同,检波二极管的工作情况是不一样的。为了理论计算上的方便,一般总是将检波工作按两大类进行分析:即所谓小信号平方律检波和大信号直线性检波。在超外差收音机中,检波总是安排在中放级以后,信号经过变频、中放后,到达检波级的输入电压U入,其幅度一般能做到大于0.5伏,一般可认为是大信号直线性检波;而在再生来复式收音机中,信号虽经高放,但其幅度仍较小,故大多数仍属于小信号平方律检波。为了对检波工作原理有一个较全面的理解,下面除详细分析大信号检波外,对小信号检波也作一些简要介绍。
一、小信号平方律检波
图1画出了检波二极管的电压与电流相互关系的曲线,一般叫它伏安特性曲线。因为二极管是个非线性元件,所以它的伏安特性不是一条直线,特性曲线的底部弯曲,上部近于直线。当检波输入信号U\(_{入}\)的幅度很小(如小于0.2伏)时,我们必须给检波二极管加上适当的正向偏压,才能使它处于导通状态,这样工作点Q便位于其正向伏安特性曲线的弯曲部分(即靠近曲线底部)。只有这样,才能使二极管对输入的小信号进行检波。图中可见:当输入信号U入为1′点时,对应于伏安特性曲线上可找到点1,可有输出1″点;当U\(_{入}\)为2′点时,又可通过伏安曲线得到输出电流的2″点……,这样点点对应,可作出检波输出波形。这一检波输出波形是非对称的,通过数学分析可知,这一非对称的信号电流中包含有三种成分:直流、音频和一些中频成分。其中的音频成分是我们所需要的,它与信号U入的幅度U\(_{1}\)(t)的平方成正比,即id=\(\frac{1}{2}\)a\(_{2}\)U1\(^{2}\)(t),其中a\(_{2}\)为系数,平方律检波也因此而得名。

要使检波输出电流与输入电压近似于平方关系,就必须使二极管工作在其伏安特性曲线的弯曲部,因为曲线的弯曲部位接近于平方曲线。这就是说,在平方律检波中,我们给二极管所加的正向偏压不能太大,否则输入信号电压将位于曲线的直线性部分,检波输出波形就要接近于对称,输出电流与输入电压的平方关系就不能成立,检波效率就大为降低;但二极管所加正向偏压也不能过小,或根本不加,否则,那样小的输入信号幅度就不足以打通检波二极管,当然就无法实现检波。
平方律检波有它一定的优点,即它属于小信号检波,对前级放大器的增益要求不高,但也有缺点,从图1可以看出,检波输出的波形负半周被压扁了,音频成分i\(_{d}\)与原调制包络线形状相差较大,即失真较为严重,且检波效率也较低,故目前总是尽可能地采用大信号直线性检波。
二、直线性检波
当检波信号U\(_{入}\)的幅度大于0.5伏时,就不需要给二极管加正向偏压,检波情况如图2所示。这时二极管的工作点是在0点,因而其检波过程与二极管的整流过程极为相似,即只有在输入信号正半周时,二极管才正向导通,有检波输出,负半周则都被削掉。由图可见,检波输入信号的幅度很大,其峰值均处于二极管正向伏安特性曲线的直线部分。故检波输出中的音频电流成分id的幅度与输入电压的幅度成正比,即保持线性关系,所以这种检波器失真小,效率高,得到广泛应用。

要严格区分平方律检波和直线性检波,在某一电压幅度上划一个界限,是没有必要的。将检波器按这两种情况来分析,仅仅是为了理论计算上的方便,使理论计算能比较符合于实际情况。有些电子测量仪器中,为了得到更好的检波线性,往往将检波输入电压做到大于1伏,使检波情况更符合线性规律。
三、半导体超外差式收音机中的检波电路
图3为半导体超外差式收音机最简单的检波电路。其中电C对465千赫中频信号的阻抗很小,近于短路,故中频调幅信号可由末级中周BZ\(_{3}\)的次级加到检波二极管D的两端,进行检波。前面说过,超外差式收音机的检波是属于大信号直线性检波,它是利用二极管PN结的整流特性。当输入信号正半周时,如图3,BZ3次级上端正,下端负,二极管正向导通。检波电流一路i\(_{R}\)流过负载电阻R;另一路i充向电容器C充电。当输入信号负半周时,BZ\(_{3}\)次级上端负下端正,二极管D反向截止,电容C向负载R放电。

图4为检波输出在RC负载上的充放电情况。在输入信号正半周,二极管D导通时, 由于二极管正向内阻很小,故充电电流I\(_{充}\)很大,在很短时间内,电容C上的电压Vc就被充到接近于信号电压的峰值A点。这个电压V\(_{c}\)对二极管D来说是负极性的(见图3所标电压极性),因此,当信号电压由峰值逐渐减小时,只要它的幅度小于Vc,二极管D就处于截止状态,这时电容C向R放电,由于R比二极管的内阻要大,所以放电时间比充电时间要长。在V\(_{c}\)下降到B点时,信号第二个周期正半周幅度又开始大于Vc,二极管D又开始导通,电容C又被充电,使V\(_{c}\)升到E点……,这样周而复始地重复上过程,我们在负载RC上就可得到一条如图4所示A-B-E-F-G…呈锯齿形的输出电压波形。图中为了说明问题,画的是简化了的放大图,实际上由于输入信号是465千赫,频率还是很高的,因而输出波形的锯齿很小、很密,从形状来看,它与输入信号的包络线极为相似(失真很小),只不过幅度稍小些。如果设法把检波输出中的中频成分滤掉,负载RC上得到的就是相当平滑的平均电压波,如图4中所示好像是调幅包络线的再现,因而也可将直线性检波叫做包络检波。

显然,检波失真的大小与负载RC有关。如图4中,B-E间二极管导通,有检波电流向C充电,这一段充电时间称为二极管电流的导通用θ(读作“西搭”)。θ角的大小和放电时间的长短,是取决于RC数值的大小的。R越大,放电电流越小,放电时间就长;反之则短。C越大,充电时间越长,反之则短。通常用两者乘积来表示充放电时间的长短,就是通常所说的“时间常数”,用τ表示(读作“套”,τ=RC。要使检波失真小,也就是说要使检波输出波形跟得上包络线的变化,τ就不能用得太大,否则电容C来不及放电,信号第二个正半周又来到而被充电,V\(_{c}\)越充越高,相当于二极管导通角θ越来越小,充电时间随之缩短,放电时间却随之加长,充放电曲线就越来越平坦。尤其当输入包络波幅度下降时,由于C来不及放电,Vc高于输入信号电压,使二极管在输入信号的几个周期内处于截止状态。电容器C向R缓缓放电,如图4中G-H段折线所示,这就产生严重失真。
当然,τ也不能过于小,譬如若C用得太小,就会对中频信号产生一定阻抗,检波输出中频成分也不能很好地滤除;R太小,检波器输入阻抗就会降低,相当于增加了第二个中放输出回路的损耗,使中放增益下降、选择性变坏。半导体超外差式收音机检波电路中,电容C在5100微微法~0.02微法之间选用,R则多数用4.7千欧或5.1千欧的电位器。 (金国钓)