Vahesagedusvõimendi

Vahesagedusvõimendi on resonantsvõimendi, mis on mõeldud superheterodüünvastuvõtja segustis tekitatud vahesagedusega signaali võimendamiseks. Erineva sagedusega raadiosageduslikud signaalid muundatakse vahesageduseks peale raadiovastuvõtjate näiteks ka televisioonivastuvõtjates, satelliittelevisiooni võimendus-muundusplokis (LNB) ning mitmesugustes raadiosideseadmetes ja raadiomõõtevahendites.

Vahesagedusvõimendi peamised ülesanded raadiovastuvõtjas:

• anda vastuvõtja põhiline pingevõimendus ja sellega tagada vajalik tundlikkus;
• saavutada nõutav selektiivsus naaberkanali(te) suhtes (sest selektiivsus suureneb koos sageduse vähenemisega);
• tagada vajalik läbilaskeriba (pääsuriba).

Vahesagedused raadioseadmeis

• AM-signaaliga raadiovastuvõtjates (lühi-, kesk- ja pikklainel) – 455 kHz, 460 kHz või 465 kHz.
• FM-signaalide ringhäälinguvastuvõtjates (ultralühilainel) – üldiselt 10,7 MHz.
• Telerites – pildisignaali vahesagedus 38,9 MHz.
• LNB-des – 1. vahesagedus: muudetav vahemikus 950 MHz kuni 2150 MHz, 2. vahesagedus on püsiv.

Vahesagedusvõimendi ülesanne ja selle paiknemine raadiovastuvõtja skeemis

Tüüpiline superheterodüünvastuvõtja plokkskeem (eelselekteerimisega vahesagedusvõimendi sisendil).

Vahesagedusvõimendi annab üldreeglina põhilise osa vajalikust signaali võimendusest. Kui kõrgsagedusliku sisendosa võimendus on reeglina suurusjärgus 10, siis vahesagdusvõimendi puhul on see suurusjärgus 1000 või enam. Seega võimendatakse näiteks, 10 μV suurusjärgus olev antennist saabuv sisendsignaal tasemeni 100 mV, mis on piisav demoduleerimiseks (detekteerimiseks).

Sõltuvalt raadiovastuvõtja liigist või seadme kasutusalast võib vahesagedusi ja seega ka vahesagedusvõimendeid (või lihtsamal juhul nende võimendusastmeid) olla üks või enam.

Joonisel on toodud ühekordse sagedusmuundusega superheterodüünvastuvõtja plokkskeem, milles antennist saadav raadiosageduslik kandevsignaal sagedusega f₂ muundatakse segustamise teel (segusti või signaalide omavahelise analoogkorrutikorrutamise abil) kohe heterodüüni sageduse f₁ ja vastuvõetava signaali f₂ vahesagedusele f_i = f₁ − f₂, mis üldjuhul on fikseeritud (konstantse) väärtusega.

Allasegustamine

Segustamine vahesagedusele

Segusti väljundis on signaalil kaks peamist kombinatsioonsageduslikku komponenti – vahesagedus $f_{1}-f_{2}$ ja summasagedus ehk peegelsagedus $f_{1}+f_{2}$.

Neist esimene on vahesagedussignaal, mis eraldatakse ribapääsfiltriga, ja mida vahesagedusvõimendi võimendab kindlas sagedusribas. Sel viisil sageduses allapoole muundatud signaalis sisaldub kogu see informatsioon, mis vastuvõetud kõrgsagedussignaaliski, ja säilib ka signaali spektri kuju – spektrijoonte kõrgused ja omavahelised vahekaugused (nende absoluutväärtused hetsides).

Summa- ehk peegelsageduse kasutamisel on spekter pööratud originaalsignaali spektri peegelpildiks.

Otsesegustus

Sageduste f₁ ja f₂ võrdsuse korral segustatakse spekter nullsageduse juurde. Seda varianti segustamisest nimetatakse otsesegustamiseks.

AM-signaali spekter muutub sel juhul kuuldavaks helispektriks. Selle eristamiseks kasutatakse sel juhul madalpääsfiltrit, mitte ribapääsfiltrit. Vahesagedusvõimendi ühildub sel juhul sisuliselt madalsagedusvõimendiga. Kõrget järku madalapääsfiltri kasutamine võimaldab nii saavutada erakordset selektiivsust (näiteks 100 db 2Δf kaugusel) suhteliselt lihtsate vahenditega. Võrdluseks, hüveteguri Q=100 puhul on nn. oktaavsumbuvus umbes 40 dB.

Heterodüüni sageduse ja sisendsignaali sageduse täpne võrdsus tagatakse automaatse faasisünkronisatsiooni süsteemi (faasiluku ehk PLL-i) kasutamisega.

Ülessegustamine

Segustamine sageduses ülespoole ehk summasagedusele f_s = f₁ + f₂ leiab kasutamist elektroonses mõõtetehnikas, peamiselt raadiotehnilistes mõõteriistades, kuid ka sidetehnikas.

Demoduleerimine (detekteerimine)

Vahesagedusvõimendist läheb signaal edasi demodulaatorisse (detektorisse) ja, olenevalt raadiovastuvõtja struktuurist või skeemilahendusest, võib minna edasi ka signaaliprotsessorisse (DSP).

Vahesagedusvõimendi lahendused

Kahe sidestamata võnkeringiga vahesagedusvõimendi võimendusaste (NB! Signaali allikas ei ole pingeallikas)

Transistoriga vahesagedusaste

LC-võnkeringi kasutamine

Vajaliku sagedusriba eraldamiseks kasutati elektronlampide ja transistoridega vahesagedusvõimendite võimendusastmetes LC-võnkeringe. Nende puhul on vahesagedusvõimendusastme ribalaius Δf võrdeline võnkeringi resonantssagedusega f ja pöördvõrdeline võhkeringi hüveteguriga Q:

     Δf = f / Q .
Ühe külgriba laiuse ehk poolriba jaoks saame siit seose
     ½Δf = f / Q .

Näiteks, saame sagedusel 455 kHz hüveteguri Q=100 puhul vastuvõetava AM-signaali helisagedusriba (võnkeringi poolriba) laiuseks Δf = 2,275 kHz, mida võib pidada kasutatavaks kaugside puhul. Hüveteguri väärtuse Q=50 puhul saame vastuvõetava AM-signaali helisagedusriba laiuseks Δf = 4,55 kHz, mida võib pidada kasutatavaks AM-raadioringhäälingus. Hüveteguri väärtuse Q=20 puhul saame vastuvõetava AM-signaali helisagedusriba laiuseks Δf = 11,375 kHz, mida võiks kasutada kvaliteetsema heli saamiseks AM puhul ehk nn. lähivastuvõtuks. Teatavasti AM-raadioringhäälingus üldreeglina oluliselt laiemat helisageduste ala ei edastatagi.

Ühe või mitme vahesagedusastme koormuseks oli enamasti kahest sidestatud LC-rööpvõnkeringist moodustatud ribafilter.

Transistorvõimendi sisendisse võidi ühendada ka üks mitmest sidestatud võnkeringist moodustatud eelselektsioonifilter (nagu see on näidatud ülalpool esimesel joonisel).

Kogu vahesagedusvõimendi sageduskarakteristik on määratud selles kasutatud võnkeringide resulteeriva sageduskarakteristikuga.

Sidestatud võnkeringide puhul sõltub sageduskarakteristik peale võnkeringi hüveteguri Q, mis on omakorda sõltuv koormuse suurusest, oluliselt veel võnkeringide omavahelise sidestuse astmest (sidestustegurist M). Reeglina kasutatakse seda vastuvõetava sagedusala laiendamiseks ilma selleks hüvetegurit vähendamata. Kahe maksimumi tekkimist sageduskarakteristikus läbilaskeriba äärtes kasutatakse selle juures ära teiste selektiivahelate poolt põhjustatava sageduskarakteristiku languse kompenseerimiseks.

Trafosidestuses vahesagedusvõimendi

Võnkeringi vajaliku hüvereguri Q saamiseks kasutatakse koormuse sobitamist transformatoorse sidestuse abil. Suhteliselt suurt tähtsust omas see lahendus bipolaartransistoride kasutamise korral, sest bipolaartransistoridel on suhteliselt väike sisendtakistus.

Märkused:

Kondensaator C_E võib astmes ka puududa juhul kui R_E ei vähenda astme võimendust liiga palju.

Kondensaator C_E , nagu ka Cs, ei osale kuigi oluliselt võimendusastme selektiivsuse kujunemises.

Sageli kasutatakse sobitamiseks transformatoorse sidestuse autotransformatoorset lahendust väljavõttega pooli sobivast kohast.

Harundiga vahesagedusvõimendi

Märkused:

Kondensaator C₁ on siin vajalik tee blokeerimiseks alalisvoolu jaoks. Selle kondensaatori puudumisel toimuks toite lühistamine läbi koormuse takistuse R_k.

Kondensaator C_E võib astmes ka puududa juhul kui R_E ei vähenda astme võimendust liiga palju.

Kumbki nendest kondensaatoritest, nagu ka Cs, ei osale kuigi oluliselt võimendusastme selektiivsuse kujunemises.

Väljund- ehk sekundaarmähisena toimib siin pooli ülemine osa.

Harundi sidestamine

Autotransformatoorse lülituse ekvivalentskeem.

Märkus:

Väljund- ehk sekundaarmähisena toimib siin pooli alumine osa.

Muude selektiivsete ahelate (resonaatorite) kasutamine

Nüüdisaegsetes superheterodüünseadmetes asendavad kogukaid LC-võnkeringe keraamilised resonaatorid või pinnalainefiltrid (SAW).

Kasutatavad võimenduselemendid

Võimenduselementideks on tänapäeval peamiselt integraallülitused, sealhulgas ka diferentsiaalastmed ja kõrgsageduslikud operatsioonvõimendid.

Vahesagedusvõimendi võimendusteguri K_i vajaliku suuruse saavutamiseks ühendatakse võimendusastmeid järjestikku. Juhul, kui võimendusastmed on selektiivsed, suureneb selle juures ka vahesagedusvõimendi ja sellega kogu vastuvõtja selektiivsus.

Välislingid

• Vahesagedusvõimendi