Automaatne võimenduse reguleerimine

Automaatne võimenduse reguleerimine ehk AVR (inglise keeles automatic gain control (AGC)) on raadiotehnilistes süsteemides kasutatav võimendusastmete võimenduse isereguleerimise meetod tagamaks stabiilset väljundsignaali amplituudi. Raadiovastuvõtja antennini jõuavad saatjatelt väga erineva tugevusega signaalid tulenevalt erinevatest kaugustest, levitingimustest ja peegeldustest. On selge, et nõrga signaali vastuvõtuks arvestatud tundlik vastuvõtja koormub tugeva signaali korral üle; sellega kaasneb suur mittelineaarmoonutus, sisendastmetes ka ristmodulatsioonimoonutus. Lisaks muudab suures vahemikus varieeruv sisendsignaal väljundsignaali (näiteks audiosignaali) ebasoovitavaks ja -kvaliteetseks.
Sisult kujutab võimendusreguleerimise süsteem endast tagasisidestatud võimendusastmeid, mille võimendust reguleeritakse vastavalt süsteemi sisendsignaali muutustele, eesmärgiga tagada võimalikult püsiva ja ettemääratud amplituudiga väljundsignaal. Teisisõnu, eesmärgiga muuta süsteemi väljundsignaali amplituud sisendsignaali amplituudi muutustest minimaalselt sõltuvaks. Sellise süsteemi vajadus ilmneb juhul, kui süsteemi sisendsignaali amplituudi väärtus on ajas juhuslikult kõikuva suurusega ja see juhuslikkus võib häirida süsteemi tööd või halvimal juhul muuta selle töövõimetuks.
Automaatne võimenduse reguleerimine muutus eriliselt oluliseks sidetehnika valdkonna jõulise arenguga 20. sajandi teises pooles. Sidetehnika kiire areng muutis raadioeetri ressursi ühe väärtuslikumaks, mispärast hakati ka üha enam nõudeid esitama selektiivsusele ja väljundsignaali kontrollile. Tänapäeval on automaatne võimendusreguleerimine leitav igas raadiotehnilises süsteemis, kus suured variatsioonid sisendsignaali amplituudis võivad põhjustada vastuvõetava info kaotsiminekut või selle esitamist vastuvõetamatul kujul.

Tööpõhimõte ja liigitus

Süsteemid, millel puudub AVR-süsteem, on haavatavad sellistele vigadele nagu võimendusastmete ülekoormus, suur mittelineaarmoonutus ja ristmodulatsioon, mis tulenevad vastuvõtja sisendsignaali amplituudi suurtest variatsioonidest. Selleks, et vältida vastuvõtja võimenduselemendi ülekoormust ja ühtlasi hoida helivaljus sõltumatu sisendsignaali tugevusest, rakendatakse kõigis vastuvõtjais lülitusi, mis vähendavad vastuvõtja võimendust seda rohkem, mida kõrgem on sisendsignaali tase. Juhtpingeks on harilikult amplituud-demoduleeritud signaali alaliskomponent, mis, olenevalt lülituse täpsest ehitusest, on võrdeline kas kandesageduse (superheterodüünvastuvõtjates vahesageduse) amplituudiga, või harvemini selle efektiiv-, ruut- või logaritmväärtusega. Amplituud-demoduleeritud signaal juhitakse pärast detektorit edasi madalpääsfiltrisse (harilikult RC-ahel), mille eesmärk on vabastada signaal vahelduvkomponentidest, eeskätt modulatsioonisageduslikest (näiteks helisageduslikest) komponentidest, kuid ka raadiosageduslikest. RC- filtri põhiajakonstant võetakse harilikult 0,025–0,1 sekundit, et AVR toimiks ka kiire feedingu (Inglise k. fading) korral. Juhul kui vastuvõtjas teostatakse demoduleerimine lihtsa diooddetektoriga, siis võib reguleerpinge võtta detektordioodi järelt, kuid, et vältida reguleeritavate astmete mõju detektorile, on parem kasutada eraldi dioodi või lisada puhveraste (tavaliselt järgija). Eraldi dioodi kasutamisel ühendatakse see enamasti vahesagedusvõimendi väljundastme primaarvõnkeringiga. Kõrval oleval joonisel on kujutatud vastuvõtja tüüpiline amplituuditunnusjoon AVR-i puudumisel. On näha, et nõrga sisendsignaali korral on väljundpinge sõltuvus sisendpingest on lineaarne. Sisendsignaali edasisel tugevnemisel väljundpinge kasv aeglustub astmete ülekoormuse tõttu ja tekivad moonutused.
Ideaalse AVR-i korral peaks pinge detektori sisendis olema vastuvõtja sisendsignaali tasemest sõltumatu. Tegelikkuses tuleb leppida väljundpinge teatava muutusega, mis oleks aga piisavalt väike. Reaalne näide oleks, et 60-detsibelline (tuhandekordne) sisendsignaali muutus toob kaasa maksimaalselt umbes 5 dB (vähem kui kahekordse) väljundisignaali muutuse. Viimast väidet iseloomustab kõrvaloleval joonisel punktiirjoonega tõmmatud ülekandefunktsiooni osa. Joonisel on näha vastuvõtja väljundsignaali sõltuvus sisendsignaalist. Alates punktist V₁ kuni punktini V₂ on väljundsignaal Vᵥ sõltumatu sisensignaali suurusest Vₛ. Punktis V₂ lülitatakse AVR taas välja (st. signaali nivoo kasvamisel enam võimendust ei vähendata). Selle peamiseks põhjuseks on stabiilsusprobleemid suurte võimenduste reguleerimise ulatuste puhul.
Märkus: Toodud sõltuvused on esitatud logaritmilises skaalas.
Vastuvõtja väljundpinge ja sisendpinge vahelise sõltuvuse laadi järgi eristatakse järgmisi AVR-süsteeme
1. Lihtne AVR-lülitus vähendab detektorieelse trakti võimendust igasuguse sisendsignaali korral. Seega väheneb võimendus ja tundlikkus ka nõrga signaali vastuvõtul.
2. Viivitatud AVR tekib võimendust reguleeriv pinge alles siis, kui sisendsignaal ületab teatava läviväärtuse Usislävi. Selleks võetakse harilikult vastuvõtja nimitundlikkusele vastav sisendpinge.
3. Võimendatud AVR-süsteemis võimendatakse reguleerpinget eraldi alalispingevõimendis. Selle tulemusena väheneb kõrgsagedustrakti võimendus suuremal määral ja väljundpinge muutub sisendpingest peaaegu sõltumatuks. Võimendatud AVR-i rakendatakse alati koos viivitusega.

AVR-i parameetrid

AVR-süsteemide iseloomustamiseks on kasutusel omad paremeetrid. Parameetrite kogum oleneb suuresti süsteemi keerukusest ja ehitusest. Nii näiteks oluline parameeter viivitatud AVR-süsteemide puhul nagu läviväärtus ei pruugi kõige algsemate süsteemide puhul olla defineeritud. Seega on oluline mõista milline on vaadeldav süsteem ehituselt selleks et defineerida selle parameetreid.
Mõned olulisemad parameetrid:
1. Läviväärtus on sisendsignaali väärtus, mil AVR-süsteem muutub aktiivseks/mitteaktiivseks.
2. Reageerimisaeg on parameeter, mis iseloomustab, kui kiiresti süsteem vastab sisendsignaali amplituudi muutustele. Siin saab omakorda välja tuua kaks parameetrit: üks on aeg, mis kulub süsteemil võimenduse tõstmiseks vajaliku väärtusele korvamaks nõrka sisendsignaali, ja teine aeg, mis kulub süsteemil võimenduse vähendamiseks sobival väärtusele kui sisendsignaali amplituud peaks järsult kasvama. Praktikas ei ole mõistlik, et AVR reageerib liiga kiiretele muutustele, sest see tooks kaasa süsteemi ebastabiilsuse. Otsetõlkena inglise keelest võiks neid parameetreid kutsuda ründeaeg (attack time) ja kustumisaeg (decay time).
3. Minimaaalne ja maksimaalne võimendus näitab ära süsteemi ulatuse võimendusteguri muutmisel.
Lisaks omavad AVR-lülitused mõju neid sisaldavate raadiolülituste üldtuntumatele parameetritele, nagu töösagedus, mürategur, efektiivsus ja muud sarnased suurused.

AVR-süsteemi mudeleerimine ja teooria

Praktika seisukohalt on sobiv kujutada AVR-süsteemi plokkskeemina, nagu joonisel on kujutatud. Sellel saab sisendsignaal võimendatud reguleeritava võimendusega võimendi (RVV), mille võimendustegur on kontrollitud välise juhtsignaal VJ poolt. Järgnevalt juhitakse signaal detektorisse, kus selle signaali põhjal tekitatakse juhtsignaal (kandesignaali amplituudiga võrdeline alalispinge). Olenevalt täpsest AVR-i tüübist võib järgneda veel fikseeritud võimendusega võimendi, mis võimendab tüürsignaali (võimendatud AVR). Edasi saab juhtsignaal filtreeritud ning, jällegi olenevalt konkreetsest AVR-süsteemi tüübist, toimub võrdlus nivooga V0 (viivitatud AVR). Tulemuseks on juhtsignaal VJ , mis juhitakse RVV juhtsisendisse. AVR-süsteemi tööd on võimalik kirjeldada üldskeemi üksiku plokkide ülekandefunktsioonidega, mis on otstarbekas selle süsteemi mudeldamiseks.
AVR-süsteemi ehituse ja tööpõhimõtte analüüsimisel on mõistlik võtta aluseks mingisugune üldistav mudel, mis kirjeldaks süsteemi tööd. Kuna AVR on sisult automaatne juhtimissüsteem, siis kuulub selle mudeldamine rohkemal või vähemal määral automaatika valdkonda. Süsteemi mudeldamiseks on mitmeid lähendusi. Näiteks võib süsteemi tööd üritada kirjeldada lineaar-aproksimatsioone kasutades. Selline käsitlus on üpriski lihtne, kuid selle suureks miinuseks on suur ebatäpsus. Teisalt võib kasutada mittelineaarseid mitme muutujaga mudeleid, mis kahandavad olulisel määral ebatäpsust, kuid muudavad käsitluse ka oluliselt keerukamaks.
Eelneva põhjal on teada, et AVR-süsteem on oma olemuselt mittelineaarne süsteem. Süsteemi kirjeldamiseks küllaltki hea täpsusega ning kasutamata väga keerukat matemaatilist analüüsi on võimalik kasutada järgnevalt vaadeldavat mudelit. Selle mudeli rakendamisel on oluline teada plokkskeemil kujutatud osade ülekandefunktsioone.
Selle mudeli RVV ülekandefunktsioon ja seega väljund on kirjeldatavad avaldistega:
      (1)
     (2)
Nendes avaldistes VS ja V₁ on vastavalt sisend ja väljundsignaal, K₁ on ülekandetegur ja VJ on juhtsignaal. Konstant a on määramaks juhtpinge mõju määra RVV võimendusele ja on antud juhul eeldatud olema positiivne suurus. Pärast detektorit, kus eraldatakse kandesageduse amplituudiga võrdeline alalispinge sisendsignaalist, edastatakse signaal logaritmilise võimendisse, mille ülekandefunktsioon on
       (3)
Viimases avaldises K₂ on detektori ülekandetegur. Järgnevalt toimub lahutustehe, kus võrdlussignaal V₀ arvatakse V₃-st maha (kui V₃ on alla läviväärtuse, siis VJ on puudu eeldusega, et RVV ei reageeri negatiivsele sisendile ja järelikult AVR-süsteem on välja lülitatud) ja seejärel edastatakse signaal RVV kontrollsignaali sisendisse läbi filtri, mis filtreerib signaali ülekandefunktsiooniga F(s). Seega sisendsignaal RVV-sse on
      (4)
Teades, et RVV ülekandefunktsioon on eksponentsiaalne, saame selle sisend- ja väljundsignaali vahelise seose (2) kirjutada ümber järgmiselt:
     (5)
Pannes võrrandi (4) ja (5) omavahel võrduma, saame tuletuskäigu
       (6)
Kuna meid huvitab ainult väljundi ja sisendi vaheline sõltuvus, siis võime ülekandetegurid K₁ ja K₂ antud käsitluses võtta võrdseks ühega ja saada
                   (7)
Eeldades, et sisend ja väljund esitatakse detsibellides, võtame teatavaks seosed
Kasutades neid kahte seost, kirjutame avaldise (7) ümber lõppavaldiseks, milles sisend ja väljund on omavahel detsibellides seotud
               (8)
Lõppavaldises on näha, et sisend ja väljund on omavahel seotud lineaarselt, juhul kui mõlemad on esitatud detsibellides. Samuti järeldub sellest avaldisest, et AVR-i karakteristik sõltub konstandist a ja filtri ülekandefunktsioonist F(s). Üldjuhul on F(s) madalpääsfiltri ülekandefunktsioon kahel põhjusel – vältimaks stabiilsusprobleeme ja kindlustamaks, et AVR-ahel ei reageeriks AM-signaalile.
Iga kontrollsüsteemi iseloomustavaks oluliseks parameetriks on selle staatiline viga, mis on suurus iseloomustamaks juhtimissüsteemi ebatäpsust (juhtimisviga). Staatiline viga on defineeritud kui
              (9)
Selle definitsiooni rakendamisel on vaadeldava AVR-i mudeli staatilise vea väärtus määratud konstandi a ja filtri alalisvoolu võimendusega 
              (10)
Oletades, et vaadeldaval juhul on tegu lihtsa esimest järku madalpääsfiltriga ribalaiusega B ja alalisvoolu-võimendusteguriga K ning mille ülekandefunktsioon on
                  (11)
saame vastavalt staatilise vea definitsioonile selle staatiliseks veaks
               (12)
Sidudes selle avaldisega (8), saame tulemuseks, et RVV väljundsignaali alalisvool (võrdeline kandesignaali amplituudiga) on
                 (13)
Viimasest avaldisest järeldub, et kui filtri alalisvoolu-võimendustegur K on palju suurem kui üks, siis on RVV võimenuds peaaegu võrdne 8,7 VJ-ga ehk võimendus sõltub praktiliselt ainult juhtsignaalist ega ole mõjutatav sisendsignaali muutuste poolt. Seega, mida suurem on tegur K, seda efektiivsem on AVR oma põhifunktsiooni täitmises.

Muudetava väärtusega atenuaatoriga lülitus

Ehituselt ja tööpõhimõttelt kõige lihtsam lülitus AVR-i teostamiseks oleks diooddetektor ja lihtne pingega kontrollitav takistus enne võimendusastet. Sellise elemendi takistus varieerub vastavalt selle tüürsisendile antava pingega, milleks vaadeldaval juhul oleks kandesageduse amplituudist sõltuv juhtsignaal VJ diooddetektorist. Takistuslikuks elemendiks võib olla näiteks lihtne pingejagur, mille alumiseks õlaks on valitud väljaefekt-transistor. Teadaolevalt väljatransistori kanalitakistus on väikeste sisendsignaalide korral (vähem kui 1 V) lineaarses sõltuvuses selle tüürpingest ja seega on olemas lihtne meetod pingejaguri väljundpinge varieerimiseks. Selline lülitus vähendab signaali taset ja lisab mürasid, mis paraku vähendab ka signaali-müra suhet ja suurendab kogu süsteemi mürategurit. Signaal-müra suhte vähenemine ja ka asjaolu, et sellise lülitusega on raske saavutada soovitud sumbuvuse taset on põhjus, miks praktikas valitakse keerukamate lülituste kasuks.

Alalisvoolurežiimi reguleerimisega lülitused

Kõrgsagedustrakti üldvõimendust on võimalik vähendada vähendades selle võimendusastme või -astmete võimendustegurit. Selleks võib muuta ühe või mitme detektorile eelneva võimendusastme transistori baasi ja emitteri vahelist pinget ja seega selle kollektorvoolu. Selline lülitus on lihtne, sest selleks on vaja võrdlemisi väikest reguleerpinget ja -võimendust. Sõltuvalt astme skeemist saab selle võimendust vähendada nii transistori kollektorvoolu vähendamise kui ka suurendamisega. Esimene moodus on rakendatav juhul, kui transistori kollektori- ja emitteriahelas pole suuri aktiivtakistusi. Selle näitena on kõrvalolev joonis. Kui signaal vahesagedusvõimendi esimeses astmes tugevneb, siis tugevnev signaal suurendab ka positiivset alalispinget, mis saadakse vahesagedusvõimendi viimasele astmele järgneva diood-detektori VD₁, R₃ ja C₂ väljundist. See positiivne pinge, mõjudes läbi takisti R₂, vähendab negatiivset eelpinget transistori VT1 baasil. Seetõttu väheneb baasi ja emitteri vaheline pingelang ning nõrgeneb kollektorvool ja väheneb võimendustegur.
Transistori kollektorvoolu tugevnemisel põhinevat AVR-i saab rakendada näiteks juhul, kui transistori kollektori- ja/või emitteriahelas on suhteliselt suure takistusega takistid. Sel juhul avab AVR-i tüürpinge signaali tugevnedes transistori rohkem. Tugevneva voolu tõttu kasvavad pingelangud kollektori- ja emittertakisteil, kollektori ja emitteri vaheline pinge väheneb ning sellega kaasneva küllastuse tõttu astme võimendus väheneb. Teisalt on olemas spetsiaalseid transistore, mille vooluülekandetegur h21E väheneb kollektorivoolu tugevnedes ka püsival kollektoripingel. Selliste transistoride puhul võib h21E vähenemist kollektorivoolu tugevnedes esile kutsuda näites transistori transiitsageduse fT alanemine. Transistori baasipinge muutmisel suureneb kollektorivool ja astme võimendustegur väheneb voolu tugevnedes. Kui ühtlasi väheneb ka kollektoripinge (kõrval vaadeldava skeemi korral R₄ tõttu), on võimenduse vähenemine isegi ulatuslikum.
Transistori alalisvoolurežiimi muutmisel põhinevaid AVR-süsteeme kasutatakse peamiselt lihtsamates, ferriitantennidega vastuvõtjates, mille sisendpinge ei ületa 25 mV. Reguleeritavaks on siis üksnes vahesagedusvõimendi 1. aste. AVR-i ahelaga võib hõlmata ka raadiosagedusvõimendi ja/või segusti. Ühel transistoril põhinevale sagedusmuundurile ei või siiski AVR-i pinget anda, sest see häiriks ostsillaatori talitlust. Koos kollektorivooluga nihkub ka transistori tööpunkt, mistõttu tugeva sisendsignaali korral suureneb reguleeriava astme mittelineaarmoonutus. Peale selle muutuvad ka transistori sisend- ja väljundtakistused, muutes sellega ka nendega ühendatud võnkeringide ribalaiust. Eriti ebasoodne on olukord kollektorivoolu nõrgenemisel põhineva AVR-i korral, kuna siis nimetatud takistused suurenevad ja järelikult võnkeringide selektiivsus signaali tugevnedes suureneb (tegelikult oleks tugevate signaalide korral kasulik selektiivsust vähendada).

Šundiga ja mitmeastmelised lülitused

Kuna alalisvoolurežiimi muutmisel põhinevas AVR-süsteemis peab sisendpinge moonutuste piiramiseks võrdlemisi väikese amplituudiga olema, siis on olemas ka lülitusi, millel sellist nõuet ei ole. Võimendusastme võimendust on lisaks alalisvoolurežiimi manipuleerimisele võimalik muuta kas kollektortakisti väärtuste suurendamise või negatiivse tagasiside tekitava takisti vähendamisega (mõlemal juhul on mõeldud takistust vahelduvvoolule ehk signaalile), sest nende suhtega on otseselt määratud võimendusastme võimendustegur. Esimesel juhul AVR-i reguleerpinge või -vooluga juhitav diood/transistor võib šunteerida segusti või sagedusmuunduri väljundvõnkeringi, vähendades nõnda astme võimendust.
Toodud näiteskeemis rakendatakse detektordioodiga VD2 alaldatud kandes sageduspinge takisti R₄ kaudu vahesagedusastme VT2 baasile. Kondensaator C₃ filtreerib peale kõrgsageduskomponendi välja ka helisagedused, nii et baasile rakendub signaali tugevusega võrdeline alalispinge. Viimase suurenedes VT2 kollektorivool ja ühtlasi selle astme võimendus väheneb, kuid mis olulisem, samal ajal väheneb ka pingelang takistil R₃, nii et pinge dioodi VD1 katoodil muutub negatiivsemaks, diood päripingestub ja šunteerib sagedusmuunduri väljundisse ühendatud võnkeringi. Seejuures laieneb ka võnkeringi pääsuriba tugevate signaalide vastuvõtul ning helikvaliteet paraneb. Seega on vaadeldav lülitus ka sagedusriba isereguleeriv. Tugeva signaali korral küll vastuvõtja selektiivsus halveneb, kuid see on lubatav, kuna saatja tekitatud väljatugevus ületab sel juhul tunduvalt müra- ja häiretaseme. Sobiva viivituse süsteemile tagab takistite R₁ ja R₃ õige valik.

Negatiivse tagasisidega lülitus

Kontrolli on võimalik saavutada võimendusastme võimendusteguri üle, muutes selle signaali võimendusele mõjuvat negatiivset tagasisidet. Lisaks on süsteemi tõhustamiseks võimalik muuta AVR-ahel mitmeastmeliseks, nagu näiteks seda on muusikakeskuse Melodja 106 stereovastuvõtja AVR-süsteem (kõrval olev joonis). 
Sellel skeemil antakse vahesagedusvõimendi väljundist transistori VT4 baasile AVR-i pinge lihtsalt skeemilt, mis sarnaneb eespool vaadatuga. Seega signaali tugevnemisel transistori VT4 kollektorvool nõrgeneb ja selle võimendus väheneb. Ühtlasi väheneb pingelang selle transistori kollektortakistil R₁₁. See pingelang on tüürpingeks AVR-i alalispingevõimendile VT3, mille emitterilt võetav väljundpinge muudab raadiosagedusastme VT1 võimendust vooluvastuside abil. Kui vastuvõtja sisendsignaal on nõrk, siis alalispingevõimendi emitteril tekkiv pingelang suureneb. See pinge mõjub rööbiti ka dioodi VD1 anoodile ja avab viimast seda rohkem, mida nõrgem on AVR-i sisendpinge VT4-le. Kui VD1 on avatud, siis on kondensaatoril C₁ võimalik sillata emittertakistit R₄ ja nõnda vahelduvvoolu-vastusidet vähendada. Väga nõrga sisendsignaali korral pinget takistil R₄ praktiliselt ei teki ja astme võimendus on suur. Kui võimendatava signaali tugevnemise tõttu pinge alalispingevõimendi transistori VT3 emitteril alaneb, hakkab diood VD1 sulguma, ahela VD1/C₁ šunteeriv toime väheneb, vooluvastuside tugevneb signaalile ja astme võimendus väheneb. Peale selle muudab alalispingevõimendi väljundpinge segusti ja vahesagedusvõimendi vahelise parameetrilise pingejaguri ülekandetegurit. Nimelt on segusti väljundisse ühendatud ahel C₂, R₆, VD2. Nõrga signaali korral on diood VD2 avatud ja lühistab takistit R₆, ent signaali tugevnedes hakkab sulguma, nii et signaaliahela takistus kasvab ja vahesagedusvõimendi sisendisse rakenduv signaaliosa väheneb. Vaadeldud AVR-süsteem toimib nii tõhusalt, et märgatavaid moonutusi ei teki isegi juhul, kui signaalipinge antennisisendis ulatub 1 voldini. Signaalipinge 1000-kordsel muutumisel ei muutu väljundpinge üle kolme korra.