Vahvistin

Vahvistin on laite, joka vahvistaa sille syötetyn signaalin tehoa. Sähköinen vahvistin käyttää ulkopuolisen virtalähteen tehoa signaalin amplitudin kasvattamiseen. Esimerkiksi mikrofonista tuleva heikko sähköinen signaali voimistetaan vahvistimessa niin suureksi, että lähtösignaali on riittävän suuri kaiuttimella toistettavaksi. Vahvistuskerroin kertoo lähtö- ja tulosignaalien amplitudien suhteen ja se on vahvistimella aina vähintään 1. Muutoin laite toimii vaimentimena.
Ideaalisen vahvistimen kaistanleveys ja vahvistuskerroin ovat äärettömät. Ideaalinen vahvistin ei myöskään aiheuta vaihesiirtymää tulo- ja lähtösignaalien välille . Käytännössä ideaalista vahvistinta ei ole mahdollista valmistaa, joten erityyppisiä vahvistimia on kehitetty erilaisiin tarpeisiin. Vahvistimella voi olla suuri kaistanleveys aina RF-taajuuksiin saakka tai matala virrankulutus. Ideaalisen vahvistimen tulo- ja lähtöimpedanssi riippuvat vahvistimen tyypistä, esimerkiksi jännitevahvistimella tuloimpedanssi on ääretön ja lähtöimpedanssi nolla.
Vahvistin voi olla joko erillinen laite tai virtapiirin sisällä oleva komponentti. 
Useimmiten vahvistimella viitataan elektroniseen vahvistimeen, vaikka vahvistin voi olla myös mekaaninen tai hydraulinen, kuten esimerkiksi auton ohjaustehostin.

Vahvistimien historiaa

Vahvistimen keksimisajankohtana voidaan pitää vuotta 1906, jolloin Lee de Forest kehitti elektroniputkivahvistimen elektronidiodin pohjalta, jonka oli keksinyt John Ambrose Fleming kaksi vuotta aikaisemmin .
Aluksi elektroniputkivahvistimet olivat kalliita ja niitä valmistettiin melko vähän. Vuonna 1924 valmistusmenetelmät olivat jo niin kehittyneitä, että esimerkiksi amerikkalainen Radio Corporation of America valmisti yli 11 miljoonaa elektroniputkea. Ensimmäisen takaisinkytkentää sisältävän vahvistimen keksi 1920-luvulla Western Electricillä työskennellyt Harold Black. Sen pohjalta Karl Swartzel kehitti seuraavalla vuosikymmenellä alkeellisen, mutta toimivan, operaatiovahvistimen, jossa oli kolme elektroniputkea . Elektroniputken ohella käytettiin 20-40-lukujen välillä magneettivahvistinta erityisesti radiolähettimissä. Magneettivahvistin oli silti harvinaisempi ja se sopi paremmin vaativiin olosuhteisiin, eikä sitä aluksi edes mielletty vahvistimeksi, kun se keksittiin 1800-luvulla. 
Pienikokoisten ja huoltovapaiden vahvistimien tarve kasvoi kriittiseksi toisen maailmansodan jälkeen. Vuonna 1947 keksitty transistori aloittikin puolijohdevahvistimien voittokulun. Ensimmäiset transistoriradiot tulivat myyntiin 50-luvun puolivälissä. Elektroniputkiin perustuvia audiovahvistimia transistorivahvistimet eivät heti syrjäyttäneet. Varhaiset puolijohdevahvistimet toteutettiin B-topologialla, mistä syystä ne kärsivät ylimenosäröstä . Harrastajien mielestä elektroniputkivahvistimen yliohjaussärökin oli transistorivahvistimia vähemmän häiritsevä. Monet hifi-harrastajat suosivat edelleen putkivahvistimia. Osasyynä tähän pidetään yleisesti putkivahvistimien harmonista säröä ja suuremmilla voimakkuuksilla kevyttä kompressoitumista, joka nostaa yksityiskohtia pintaan. Samoja toimenpiteitä käytetään myös levyjen masteroinnissa. Kitaravahvistimessa putkisärö on usein tavoiteltavaa.
Kuluttajaelektroniikassa putkivahvistimien käyttö loppui hifi-laitteita lukuun ottamatta 60-luvun kuluessa. Toisin kävi radio- ja sotatekniikassa, joissa vahvistimen tehonkestolta ja sähkömagneettisten pulssien sietokyvyltä vaadittiin enemmän. Putkivahvistimia käytetään vielä nykyäänkin mikroaaltoalueen vahvistimissa ja kilowattien tehoisissa UHF-lähettimissä. Vuoteen 1984 saakka valmistetussa neuvostoliittolaisessa MiG-25:ssä käytettiin tyhjiöputkia sekä hakututkan vahvistimena että ohjaustietokoneen kytkiminä  .
2010-luvulla putkivahvistimesta kiinnostuttiin uudelleen, kun tutkimusryhmät pyrkivät valmistamaan THz-luokan vahvistimia avaruus- ja materiaalitutkimuksen tarpeisiin.  Esimerkiksi DARPA kehitti niin puolijohteisiin  kuin elektroniputkiin  perustuvan alimillimetrialueen vahvistimen.

Tehovahvistin

Tehovahvistin on kuormaan tehoa syöttävä vahvistin. Syötettävän tehon suuruus riippuu tehovahvistimen vahvistuksesta sekä ohjaavasta signaalista. Yleisesti tehovahvistin on signaaliketjun viimeinen vahvistin ennen itse kuormittavaa laitetta. Esimerkkinä tehovahvistimesta on äänentoistotekniikassa päätevahvistin, jossa ohjaava signaali tulee esim. CD-soittimelta. Signaalin teho vahvistetaan riittävän suureksi ja syötetään kuormalle eli kaiuttimille. Tässä tapauksessa tehon suuruus riippuu kuuntelijan haluamasta äänenvoimakkuudesta. Muita tehovahvistimen sovelluksia ovat radiotaajuusvahvistimet ja servomoottorin ohjauslaitteet. Koska kuormalle syötettävät tehot ovat suuria, on tehovahvistimen hyötysuhde oleellinen ominaisuus energiatehokkuuden kannalta. Hyötysuhteen lisäksi merkittäviä tekijöitä vahvistimen sovelluksesta riippuen ovat paino, fyysinen koko ja tehontuottokyky. Tehovahvistimet jaetaan eri luokkiin hyötysuhteeseen vaikuttavien lepovirran ja piirin toimintaperiaatteen mukaan.

Differentiaalivahvistin

Differentiaalivahvistin vahvistaa kahden tulojännitteen välistä jännite-eroa. Lähtö voi olla differentiaalinen tai suhteessa referenssijännitteeseen – yleensä maahan. Differentiaalivahvistin ja operaatiovahvistimen toimintaperiaatteet ovat lähes samanlaiset, mutta operaatiovahvistimen tulojen välinen impedanssi on erittäin suuri, jonka takia tulojen välillä ei kulje virtaa ja taas differentiaalivahvistimen tulojen välinen impedanssi voi olla suhteellisen pieni ja tulojen välillä voi kulkea virtaa.

Instrumentointivahvistin

Instrumentointivahvistimet ovat säätötekniikassa ja teollisuuden prosessinohjauksessa käytettäviä operaatiovahvistimia, joita käytetään mittaus- ja ohjaussignaalien vahvistamiseen, esimerkiksi anturisignaalien vahvistamiseen. Instrumentointivahvistimilta vaaditaan usein hyviä tasavirtavahvistusominaisuuksia ja vähäistä kohinaa . Lisäksi niissä tulo- ja lähtöpuolet on joskus galvaanisesti erotettu toisistaan joko optoisolaattorin tai muuntajakytkennän avulla.

Instrumenttivahvistin

Instrumenttivahvistinta käytetään sähköisten soittimien kuten sähkökitaran tuottaman äänen vahvistamiseen. Vahvistimen tuottamaa ääntä on yleensä mahdollista muokata erilaisilla säätimillä. Instrumenttivahvistimet voidaan ulkoisen rakenteensa puolesta jakaa kahteen luokkaan: ns. combo sisältää samassa kotelossa sekä vahvistimen että kaiuttimen, kun taas suuremmissa vahvistimissa vahvistinosa (puhekielessä nuppi) ja kaiutinosa (puhekielessä kaappi) ovat yleensä erillisiä. Yleisin instrumenttivahvistin on kitaravahvistin.

Putkivahvistin

Putkivahvistin on elektroninen vahvistin, jossa tyhjiöputkessa nostetaan signaalin amplitudia tai tehoa.
Kun puolijohdevahvistimet korvasivat putkivahvistimet pienitehoisissa laitteissa, putkivahvistimet olivat edelleen kustannustehokkaampia suuritehoisissa järjestelmissä, kuten tutkissa. Monissa mikroaaltovahvistimissa on erikoisvalmisteisia putkivahvistimia, kuten klystroni, gyrotroni ja kulkuaaltoputki.