超动态、宽频响、低噪声调幅收音机

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(编者按)本文作者对传统晶体管调幅收音机进行了深入研究,并从检波以前的中、高频电路入手,别具匠心地设计了一套新颖方案,使得整机频响、动态范围、失真、信噪比等几项重要指标均得到大幅度提高。在有《无线电与电视》杂志、《业余无线电》杂志、上海交电采购供应站及数家收音机生产厂技术人员参加的试听会上,受到一致好评。经过500台试生产,证明该机调试,装配简单,一致性、可靠性均好,有批量生产价值。由于篇幅所限,与本文有关的理论分析及计算问题不作详细介绍。

近几年盒式录音机以它宽频响、低失真的放音效果冲击着晶体管调幅收音机,据市场反映,不带录放功能的调幅收音机逐日不易销售。究其原因,笔者认为有以下几个主要方面。1.对于盒式录音机,只要有一盘“原版”磁带,放音很容易得到5%以下的失真度,而晶体管调幅收音机在场强小于3mV/m或大于30mV/m时,失真度一般大于10%。2.即使低档录音机的放音频响特性也能轻而易举地达到6.3KHz\(^{+3}\)\(_{-}\)5dB。而名牌晶体管调幅收音机的整机频响充其量仅仅5KHz左右。听觉直观感觉就是:录音机放音明亮、清晰;收音机放音低沉、浑浊。3.盒式录音机放音信噪比一般可以达到45~50dB。而收音机一般只能达到36~40dB。然而,收音机也有录音机不能与它相比的优点。首先,个人复制的磁带效果远不如原声带,而原声带价格昂贵,所以个人储备的节目源,无论是质量或数量远不能与广播电台相比。其次,录音机中的磁头、马达及传动机构的某些部位很易磨损,用户需经常投入修理费用。而收音机的保养费用极低。如此,只要能够使调幅收音机的音质大幅度提高到录音机的水平,而价格基本保持原来水平,则调幅收音机仍旧会受到用户欢迎的。

那么传统晶体管调幅收音机音质差的根本原因在哪里呢?有人做过这样一个实验:将大家公认音质较好的电子管收音机检波以前的电路与晶体管收音机的低频放大器相连接,得到的音质与电子管收音机相仿;而将晶体管收音机的检波以前电路与电子管收音机的低频放大器连接起来,得到的音质却与晶体管收音机音质相仿。这说明问题主要出在检波以前的中、高频部分。

笔者认为,传统晶体管调幅收音机的谐波失真主要来自四个方面:1.低频放大器的谐波失真。2.检波级的谐波失真。3.高、中频部分由于大信号过载造成的包络失真。4.整机谐振曲线不对称引起的包络失真。而后三者往往是设计人员最容易忽视的。

近年来晶体管低频放大器发展很快,谐波失真指标可以轻而易举地达到0.5%以下(闭环)。全晶体管或全集成化的盒式录音机放音系统已能获得相当满意的效果就是一个例证。而传统晶体管调幅收音机的中、高频部分,受晶体管特性的限制。谐波失真指标却不容易提高。首先,晶体管输入端对输出端的控制是电流控制,因此晶体管的输入、输出阻抗随工作电流有较大幅度的变化。其次晶体管的动态范围很小;再次,晶体管是双向特性元件。这些因素均会引起中、高频部分产生较大的谐波失真。

本文介绍的超动态、宽频响、低噪声、优质晶体管调幅收音机,由于整机谐振曲线在信号场强大范围变化情况下始终保持对称;同时尽可能地扩大了动态范围;中、高频部分又能与音频放大器巧妙地衔接,使得在选择性、信噪比等各项指标超过国家优质指标的情况下,大幅度地扩展了整机频响,降低了谐波失真,从而使该机的音质可与录音机的放音音质相媲美。

图1
图1 🔍原图 (1886×1368)

图1是该机的线路图。它的主要性能指标是:

频率范围 中波525~1605KHz;短波Ⅰ 3.9~8.5KHz;短波Ⅱ 8.5~18KHz。

灵敏度 S/N=20dB时实测中波0.15~0.3mV/m;短波Ⅰ≤15μV;短波Ⅱ≤10μV。

输出功率 实测5~6W(失真μ≤3.5%)

整机频响 实测63Hz(+8.5dB)~8000Hz(+1dB)

偏调失真 实测±6KHz时≤5%

选择性 单信号 实测28~32dB(窄带时) 双信号 实测20~24dB(窄带时)

带宽 宽带时≥11KHz;窄带时≥6.5KHz

大信号承受能力 失真<5%时,实测场强≥3000mV/m;失真为10%时 实测场强可达5000~7000mV/m。

信噪比 实测48dB(宽带、高低音调双抬时)实测54dB(窄带、高低音调双减时)。

高放、混频、振荡电路

该机采用两只3DG201A(BG\(_{1}\) BG2)组成别具一格的“级联高放—混频器”。由于混频管(BG\(_{2}\))按共基极接法,发射极—基极的阻抗很低,而BG2的输入端即为共发高放的负载,所以对降低本振反向辐射;改善人体感应;提高工作稳定性;提高短波信噪比;减小本振电路的频率牵引;大幅度扩展接收动态范围等都是极为有利的。这种级联电路也为增设高放宽带AGC电路提供了必要条件。混频级的静态工作点掌握在0.17mA左右,这样混频增益损失不大,噪声可大幅度降低。为减少组合干扰、提高相对灵敏度及信噪比,各波段均采用基波混频方式。本地振荡器采用共基极方式,适当提高振荡槽路的Q值,改善了基波振荡波形,故组合干扰很小。

AGC电路

1.宽带AGC电路 本机在高放管BG\(_{1}\)的基极加有宽带AGC电路。由图2可见。中频信号从一中放管BG4的基极经C\(_{4}\)0送到AGC放大管BG7进行放大。B\(_{12}\)、C43组成465KHz谐振回路,放大后的中频信号经D\(_{4}\)整流、R32、C\(_{44}\)、C45滤波,再经D\(_{3}\)延时,后经R34送到D\(_{1}\)、D2对BG\(_{1}\)进行控制。增加高放宽带AGC控制电路可以收到以下几点益处:①有效地控制了输入信号强度,避免了由于高放、混频过载而引起的包络失真及各种组合干扰。②大信号接收时,由于天线槽路QL值的降低,使通带展宽,改善了音质。③由于这种AGC控制作用宽于整机信号通带,避免了偏调失真。

图2
图2 🔍原图 (877×434)
图3
图3 🔍原图 (833×285)

2.中放、AGC电路 高、中频谱振回路在输入信号强度发生变化时能否始终保持对称,对整机的谐波失真指标有重要影响。而晶体管是一种电流控制器件,输出、输入阻抗较低,当普通AGC电路控制放大器增益时,改变了受控管的I\(_{b}\)、Ie,使得管内电容(如输入输出电容)特别是C\(_{cb}\)也随之而变,因此引起谐振槽路失谐,造成高、中频总的谐振曲线不对称,如图4曲线Ⅰ所示。必然使通过该槽路的调幅信号的包络产生失真,改变了上、下两边带的幅度和相位的比例。经二极管检波出来的音频信号也必然失真。此外,由于AGC的作用,受控管的Ie减小,输入、输出电阻增大,引起谐振槽路Q值增大,使得谐振曲线通带变窄(如图5曲线Ⅰ),影响了整机通频带指标。

图4
图4 🔍原图 (372×279)
图5
图5 🔍原图 (331×258)

该机采取以下几项措施,使得接收信号变化范围很大情况下,整机谐振曲线形状保持稳定的对称性。(1)中频谐振回路使用6只同型号(TF102S)中频变压器。接成两个双调谐,两个单调谐槽路,谐振电容选取大容量,使得槽路特性阻抗较小。又由于中频变压器取用低抽头,大电容量耦合方式,使得晶体管输出、输入阻抗对槽路的旁路作用减到最小。(2)将一中放晶体管的负载取得很小(仅120~130Ω),当一中放受AGC控制时,输出阻抗的变化量小到可忽略,由C\(_{cb}\)引起的内部反馈也减小到可忽略的程度。由此谐振曲线稳定对称。为了弥补一中放增益不足(l7~19dB),二中放采用了NPN型管与PNP型管的双管直耦电路。这种接法既扩大了二中放的动态范围,也简化了检波级电路,提高了检波电压、减小了耦合损耗。二中放增益可作到52~54dB。(3)从图7可见,检波输出的直流成分经D7的延迟,由R\(_{26}\)送给D6控制一中放的工作电流。当外界场强小于0.25mv/m时D\(_{7}\)不导通。只有外界信号足够大时D7才导通。由于D\(_{6}\)的存在,在AGC起控的过程中,一中放的输入阻抗及输入电容的变化量极小,这样就保证对B7\(_{8}\)所组成的双调谐槽路的Q值及谐振频率影响极小。原来调好的中频谐振曲线也必然保持对称。(4)由于一中放的负载小,输入阻抗的变化又极小,所以静态工作电流可增大到1.6~2mA,动态范围很宽。因此在工作极其稳定的前提下,AGC控制范围可达40dB。它与宽带AGC电路一起使高、中频系统具有极强的大信号承受能力。在整机失真度4~5%的情况下,可承受2500~3000mv/m场强。失真不大于10%的情况下可承受7000mv/m场强。本机AGC总控制曲线可见图8。

图6
图6 🔍原图 (309×258)
图7
图7 🔍原图 (882×373)
图8
图8 🔍原图 (590×516)

宽窄带

调幅广播电台间隔为9KHz,如图9所示,每个电台所占频宽为9KHz。然而我国调幅广播电台并不十分密集,在同一个地点(即使是大城市)基本上不会出现两个强力电台频率间隔仅隔9KHz的情况。此外,我国调幅广播电台发射的调制信号频宽,事实上在40Hz~8KHz范围内可大体保持平直,如图10虚线所示。用传统调幅收音机收听调幅广播之所以感到音质不佳,缺少高音成分,只能说这正是传统调幅收音机本身通带过窄,将高频部分衰减掉了。图10中实线为传统调幅机的通带曲线。由于宽度窄将电台播出的高频成份衰减掉许多。

图9
图9 🔍原图 (625×389)

从以上可见,调幅收音机的频响做到8KHz是有实际意义的。本机既考虑到8KHZ频响的实听效果,也考虑到可能收到远地频率相近电台的信号,所以设计成宽窄带可控方案。通过宽窄带控制开关K\(_{4}\)巧妙地搭配C23、C\(_{24}\)、C29、C\(_{3}\)0等元件,使得在宽窄带变换中,受控槽路的中心频率稳定地保持在465KHz,同时谐振曲线平衡地在两个方向上变化,始终保持曲线的对称性,为大批量生产的装配调试工序提供了方便条件。

本机在窄带情况下,整机—6dB通带可以做到7~8KHz,经过低放级音调提升,可听到5KHz频响效果。宽带时整机—6dB通带可以做到11KHz左右,经过低放级音调提升,可听到8KHz频响效果(见图11)。

图10
图10 🔍原图 (474×293)

检波

传统调幅收音机的检波级是产生谐波失真的一个重要因素。当信号场强小于30mv/m时,检波输入电压小于500mv,由于非线性引起的失真是可观的。为此有时给检波器加上一个几十微安的预偏置直流电流,企图避开平方律检波。此举带来的后果是背景噪声明显增加。原因是①二极管加偏置后,小信号检波效率提高,前级噪声很容易通过检波级送到低放。②由于这种偏置作用,很小信号AGC即起控。使中放增益下降。而静态时(此时只有噪声)中放增益倒是最高。此外传统二极管检波电路,当输入信号稍大时便会产生负峰切割失真(如图12所示)。调制度越大越明显。

图11
图11 🔍原图 (403×189)

本机的检波级输入信号直接从二中放中频变压器B\(_{11}\)初级交流高电位点取出(见图13),使二极管工作在线性区,又由于整机总增益分配与AGC配合恰当,使得接收场强为0.3mv/m时(S/N=20dB),检波级输入电压就已超过500mv,避免了由平方律检波造成的失真,因而也无必要对检波二极管附加固定偏置了。这种检波电路的另一个好处是,噪声不容易通过检波级。再加上AGC电路在小信号时D7的延迟作用,因而检波输出的信号电压远远大于噪声电压,大幅度提高了信噪比。实测中,8KHz处音调提升13.5dB,背景噪声依然很小。为了克服大调制度时所产生的检波负峰切割失真,本机将检波器交流负载阻抗与直流负载电阻设计得十分接近。即使调制度为90%时,也不出现负峰切割失真。

图12
图12 🔍原图 (710×317)
图13
图13 🔍原图 (1403×159)

由于上述各项措施,接收点场强变化80dB,整机谐波失真也可控制在5%以下(见表)。可以说这是一种超动态收音机。(待续)(上海无线电三厂 李传钟 曹锦馨)