收音机设计与制作漫谈 高频电路之最优化

1)    电子管, 晶体管和集成电路: 我曾在一篇文章中读到一句话, 大意是”电子管并非一定优于晶体管, 而晶体管又并非一定优于集成电路”, 关于这个问题我觉得应该看站在什么角度, 考虑多少因素来定义谁优谁劣, 如果不考虑其他因素, 这种推断就没有意义. 我的观点是, 如果仅仅从纯技术的角度来考虑, 那么情况就很简单了, 电子管肯定优于晶体管, 而晶体管又肯定优于集成电路!

我为什么要这样武断? 实际还是从个人所学的理论和多年实际的感受出发. 电子管的输入阻抗很高, 这样的条件就非常适合LC回路的耦合, 得到较高的信号增益; 同时电子管的固有的低噪音又可以大大改善信噪比, 其最终的效果就是收音机整体性能的提高. 而晶体管在这些方面的差距其实相当大, 那么为什么晶体管会极大地发展直至取代电子管呢? 这就转移了评价立场, 不得不考虑其他一些客观原因的存在了. 众所周知, 电子管的耗电量巨大, 产生的热量可观, 电子管的成本高昂, 标准寿命只有2000小时, 受到这些条件的限制, 如果采用100只电子管组成一架高级的收音机, 那么它的体积会象一间房屋, 热量会相当一个小型锅炉, 成本会耗空一位富翁的全部财产, 这样的收音机在性能上是无可比拟的, 但在实用方面却完全没有价值! 到目前为止, 我所知道的民用级收音机似乎仅有一个匈牙利的型号使用了17只电子管, 再多的我就没有听说过了.

至于我为什么说集成电路不如晶体管分立器件呢? 大约也是同样的道理. 但是还有更加深入的原因, 我在以前的文章里也曾经提及. 晶体管收音机同样出于成本和体积的考虑, 尽量采用较少的晶体管来获取最大的效益. 这样做所带来的意外效果却是整机性能的提高, 这并不是设计者的本意. 为什么这样说, 比如, 在调幅波段, 对于普及型收音机来说应该设计一个60db增益的中放级(暂且不考虑AGC), 晶体管收音机可以设计两级中放, 每级增益30db, 使用两只三极管. 而在集成电路当中, 同样是60db的增益, 为了取得产品的一至性, 为了加入强大的AGC, 为了集成电路当中的单元晶体管较低的Hfe(放大倍数), 设计师经常会采用6-30只晶体管来组成中放级, 这些管子的单只增益很低, 但本底噪声却相同, 组合起来产生的噪音会超过分立件电路. 关于集成电路的其他问题我还会在下面详谈.   

(2)    一系列高Q值LC回路是优秀收音机的基本条件: 这就分为两个问题, 其一是高Q值的LC回路, 其二是把它精确地调整在谐振点上! 

在过去的年代里, 老一辈的科学家都付出了巨大的努力, 想方设法地提高LC回路的Q值, 因为那时他们已然认识到了这个问题, 知道它对收音机的性能有多么巨大的影响. Q值高的LC回路, 一但谐振在一个频率上, 它的两端电压就会成为一座山峰, 大大地超过天线感生电压; 而相反, Q值低的回路所形成的曲线就如面和软了的窝头, 蒸出来已经堆成了饼子, 不仅谐振电压较低, 而且选择频率的性能也大打折扣了. 这个问题看似简单, 但它却最终决定一架收音机的整机性能! 记得我给父亲的一位老朋友修理的”地球牌”10波段便携式收音机, 就是简单的CXA1191单片电路, 修好试机时简直吓了我一跳, 怎么这么个廉价机在短波段的接收能力竟然比索尼7600G高出一倍有余?! 索尼收到的弱台已经淹没在一片噪音里, 而地球牌却可以清晰稳定地接收? 差别之大简直不符和逻辑! 当我调整地球牌的天线回路电感时, 统调与否的效果非常明显, 高Q值的回路在精确的谐振点上会产生出人意料的增益和信噪比. 后来我所修理的许许多多牌号的现代数调机, 输入回路的调整所反映的效果迟钝, 没有明显的尖锐谐振点, 体现出回路太低的Q值或偏离谐振频率太远的效果. 分析起来这一点儿也不奇怪. 数调机采用的电感都属于现代的结构, 过小的屏蔽罩和单股导线降低了Q值, 为了简化起见, 其输出耦合没有使用抽头, 就把整个线圈并联在输入阻抗并不太高的放大电路上, 而且, 由于利用了变容二极管替代可变电容, 不仅这种器件本身的Q值就不高, 而且还加入了供应直流电压的电阻, 进一步降低了Q值, 最终的结果就是整个LC回路性能的变坏. 有经验的无线电爱好者阿里巴巴曾说过, 给数调机增加一级靠变容二极管调谐的高放级, 所产生的效益会被变容管自身的劣势给抵销掉! 这句话非常有道理!

老一辈人努力在提高回路的Q值方面, 做出了不少有益的探索. 例如采用直径较大的线圈骨架, 用多股线替代单股线, 用镀银线替代漆包铜线, 用蜂房绕制替代平行绕制, 用双磁棒替代单磁棒, 用空气多连可变电容器替代介质可变电容器, 采用较低的抽头来匹配晶体三极管的输入阻抗, 等等很多行之有效的手段. 可惜的是, 现代的设计者总是过分相信高科技的力量, 妄想依靠先进的电子技术来以较低的成本取得较高的效益, 或者说靠科技来弥补行之简便, 成本低廉的设计所带来的弊端, 其结果只能造就出象7600G, 07那样的”优秀典型”收音机来. 我不能不承认, 这又是时代的一个悲哀!

(3)    强大的AGC是先进收音机的必须? 几乎所有的评测者都具备这样的心理因素, 都认为AGC效果的优劣决定了一架收音机的档次高低. 可是有多少人曾经认真试验, 认真思考过AGC技术的优点与缺点? 我不能不遗憾地说, AGC是人们自作聪明的一个产物, 是自己欺骗自己的一套理论! AGC技术所带来的缺点要比它的优点还要突出, 那么人们是怎样认可它的呢? 有些事真真是怪事! 想当然早已是人们的一种习惯了. 

对于调幅波段的无线电信号来说, 它的远程传播全靠电离层的反射, 受电离层波动的影响, 它的衰落与增强完全是其自然属性, 距离越远这种波浪越显著, 衰落时可以使场强降低到零, 目前还没有一种技术能够解决这个衰落现象. AGC的作用无非是想利用存储起来的一部分增益, 使其自动跟随信号场强的变化来自动调节, 从而达到抵制变化, 趋于平和的作用. 从理论上看这种技术非常实际, 完全可行, 应该能够极大改善远距离电台的接收效果. 可惜的是人们没有想到AGC理论付带的弊端会给接收效果带来更加恶劣的影响. 

其一, AGC的控制是自动发生的, 它随着接收信号的强弱而改变电路增益. 这样假如机器没有接收到信号, 电路的增益就会急剧上升, 带来的噪音会比有信号时大几倍, 几十倍, 使调谐间隙噪声恼人, 降低了调谐的乐趣; 其二, 增益的提高对接收效果其实没有丝毫的帮助! 谁能认同这个道理? 只有在信噪比不变的情况下来提高增益才会改善接收效果! 所以, 当电波信号衰落下去以后, 由于AGC的作用使收音机的音量下降不是太多, 但增加的噪音极大地恶化了可懂度, 这种作用实际等于零! 其三, 任何一种AGC电路都要影响到整个通道的性能, 使一些性能变坏, 这很容易理解. 例如降低三极管的偏流, 给输入端并联一个阻抗, 给放大器增加负反馈等等, 都会使电路失衡, 产生失真, 阻塞等问题; 其四, 正如我上面所述的那样, 为了产生强力的AGC作用, 不得不设计增益达到80-100db的中放级, 然后再用负反馈把增益压低到60db甚至50db, 这样的结果所产生的噪音那就不去管它了, 电路的效能也是比较低的. 退一步说, 即便可以设计一定裕量的AGC电路, 也应该同时设计一个启动电路, 让机器仅仅在收到电台以后再自动开启AGC, 而在调谐间隙自动关闭AGC, 这似乎还比较合理一点儿.

如果生产商可以开发手动增益控制(MGC)和数字预置式增益控制(DGC), 我相信它们的效果必然会超过AGC控制. 

(4)    成本, 成本, 是现代社会的精随? 为什么三端陶瓷滤波器会得到如此迅猛的推广? 仅仅是因为它的带通曲线更理想吗? 还是它的体积更小? 其实都不是! 这种器件主要的特点就是低成本, 或者干脆说廉价更好! 三端滤波器固然具备比较理想的带通曲线, 固然体积小巧, 但是为什么不看到它的另一方面, 带来的副作用呢? 三极管RC放大器的增益是多少? 噪音是多大? 而由LC谐振回路作负载的放大器又怎样? 它们之间的差别有多大? 难道电子工程师就没有研究? 结果就很明显了, 用3级RC放大器, 总体增益大约还要低于两级LC放大器, 但前者的噪音却大得多了(电阻热噪音, 前级噪音的放大作用), 两者的耗电量会差多少? 使用三端滤波器的优越性还是在于成本低, 不需要调试(也可以看作生产成本), 因此它才被大量采用. 行家们可能也注意到了, 很多新型的收音机电路, 都已经取消了中放末级的选频回路, 连晶体滤波器也不用了, 设计师的意思还是以省钱为妙, 性能差点儿也没什么大不了, 反正就是民用机.

以前我也与人辩论过, 关于二次变频的优劣, 其实也是同样的问题. 本来二次变频是个先进技术, 对抵御镜像的能力的加强不是其他技术可比的. 问题是我们是打算认认真真地搞二次变频还是搞名义上的, 简化了的, 牵强附会的二次变频? 这可就是个敏感的话题了! 我过去也研究过不少二次变频机电路, 也包括号称世界先进技术的索尼7600G, 07, 2001和77等, 我遗憾地发现, 几乎没有一个设计是真正意义的二次变频, 应该贴切地说(我以前就提到过的名词)叫做群频二次变频为好. 这很容易理解, 有些机型采用了一个固定频率的LC回路来作为一个频段的输入回路, 在一个窄带中, 除了一点谐振以外, 其他点的频率全都不谐振, 导致谐波的产生, 信号的失真和噪音的增加; 更近一步的, 干脆取消了所有的谐振回路, 就利用一组带通滤波器, 把一群信号直接引入混频级, 来个群频变频. 这样做的害处有多少分析起来也够复杂的了, 但没有输入回路的精确谐振选频的收音机不可能取得最佳效果那是肯定的.

如此可见, 一个又一个的先进技术都被这样给滥用了, 其目的是减低收音机的生产成本, 按阿兄的话说是”以最低的代价取得同样的效果”, 如果站在经济的角度来考虑问题, 作为经营者来说自然会欣赏这样的理论. 

收音机的设计和制造就是这样一步一步被败坏的, 现代的许多机型甚至都不如在七, 八十年代生产的十分高级的产品, 象根德500, 700, 以及一些松下, 夏普等机器. 

至于在元器件方面的问题那还用我来讲述吗? 劣质的波段开关, 电位器, 扬声器, 调谐机构, 电阻电容, 三极管, 集成块, 等等等等, 铺天盖地的廉价地摊机, 要价就25元, 你都不知道它的成本到底值几元, 想起来都可怕, 是搞事业还是赚大钱? 搞好了事业必然赚大钱, 但如果一味地想赚大钱, 那结果也必然适得其反! 

(5)    全波段的诱惑: 地球牌全波段收音机是进入大陆最早的多米段”高级”设计机型, 它的魅力一下子晕倒了一大批国内的收音机爱好者, 当时他们几乎人手一台”全波段”, 甚至相信它能接收到全世界各地的广播, 待到有时间仔细把玩儿时才发现, 原来所谓的”全波段”基本没什么用, 差不多每个波段的效果都够晦气的了, 除了两三个波段以外, 其余的波段基本上整天也收不到一个电台, 或者仅仅可以收到一些象蚊子一样的萧叫声而已. 这又回到了上面的话题, 开发商把虚荣的门面装饰在简陋的机器上, 哪里可能来得应有的效果? 一架被简化得要命的机器还搞什么全波段? 本标题的内容不是想再讨论简化的问题, 我想说的是关于短波波段的设计问题, 其实这非常困难, 是收音机设计的一个难点.

首先, 还说全波段, 我不知道在其他地方, 起码在沈阳, 比较有效的波段其实仅仅在6-18MHZ范围内. 在四季的早晚时分, 5.8-9.7MHZ的频带内电台很集中, 有大量的国内电台, 日本, 朝鲜, 俄罗斯电台, 场强虽大, 但受到的干扰也最严重, 同频混台的现象也很重. 但不管怎样, 这个波段还是信息量丰富的. 在白天8:00-17:00时段, 11.7-18.1MHZ频段内存在很多英美国际广播电台, 也有加拿大, 澳洲, 法国, 德国, 印度, 阿拉伯等地区的电台, 英美台的场强大, 清晰度高, 很有收听价值. 白天在22MHZ米段也有少数电台, 但多与18MHZ米段重复. 至于6MHZ米段以下的频率, 几乎全是干扰了, 没法收听. 所以, 可以说, 设计所谓的全波段并无实际意义.

其次, 你怎样设计高频电路? 设计分米段短波, 这是最好的立意, 因为频带只有600KHZ, 可以最大限度地提高统调的精确性, 使整机接收效果改善. 但是, 如果设计一级调谐高放, 算上本振回路, 你至少需要18只电感线圈(设计6个国际米段), 其体积, 成本, 调试难度, 都不好解决, 尤其是需要一大堆接点的波段开关, 使整机使用寿命大大缩短. 如果设计单一的6-18MHZ短波段, 在电路上可以最简化, 成本最低, 体积最小, 但是由于覆盖系数太大, 调谐的密度也会过大, 操作起来相当费力, 也由于除了两端的米段可以被做在统调点上, 其他米段都会处于非统调点上的原因, 使这些米段的灵敏度下降, 此外还有调谐稳定性的下降, 本振的电压不均度变坏, 等等其他不利因素. 因此我主张采取标准的4波段设计, 一个调频, 一个中波, 两个短波, 分别覆盖5.7-9.9MHZ, 11.5-18.2MHZ. 如此每个波段内包括3个国际米段, 并使他们刚好处于3个统调点上, 从而保证最佳接收性能. 关于德生机采用的短波灵敏度调节, 我认为是优秀的设计, 应该在爱好者收音机上安装两个这样的统调旋钮.

关于短波段的锁频问题, 我认为必须加入, 并非可加可不加. 这种锁频不一定非需要数字锁相环电路, 只要一个不复杂的AFC电路就可以了, 采取自动控制或手动控制都是可以的. 对于调谐机构, 应该坚决取缔拉线系统, 改为耐久, 精密, 手感良好的无隙齿轮系统. 关于频率的指示, 采用机械方式已经没有丝毫优势了, 成熟的数字模块的电源消耗微乎其微, 又能增加时钟, 定时开关机等附加功能, 何乐而不为?