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. 
Käsitteitä.
Vahvistimen laatua kuvataan erilaisilla käsitteillä, joista keskeisimpiä lueteltu alla:
Ideaalinen vahvistin.
Ideaalinen vahvistin vahvistaa tulevan aaltomuodon, muuttamatta aaltomuodon muita parametreja kuten taajuutta tai aallon muotoa. 
Ideaalisen vahvistimen ominaisuudet: 
Tulo- ja lähtöimpedanssin arvot vaihtelevat riippuen vahvistimen tyypistä: 
Vahvistimen parametrit.
Vahvistus.
Vahvistuksella ilmaistaan tulo- ja lähtösignaalien suhdetta, eli kuinka moninkertaiseksi tulosignaali kasvaa. Vahvistuksen symbolina käytetään ”A”, alaindeksillä voidaan kertoa mittavaa suuretta. 
Jännitteiden amplitudien muutoksen saadaan laskemalla lähtö- ja tulojännitteiden suhde.
formula_1
Virran amplitudien muutoksen saadaan laskemalla lähtö- ja tulovirtojen suhde.
formula_2
Vahvistus ilmaistaan yleensä desibeleissä, joka saadaan laskettua kaavalla
formula_3
missä Gu on vahvistus desibeleissä.
Taajuusvaste.
Taajuusvasteella kuvataan vahvistimen reagointia herätesignaalin. Taajuusvasteen kuvaajassa vaaka-akselilla on tulo signaalin taajuus ja pystyakselilla lähtösignaalin vahvistus desibeleinä. Taajuusvasteen avulla voidaan kuvata esimerkiksi äänentoistossa vahvistimen vahvistuksen arvot eri taajuuksilla.
Impedanssi.
Ideaalisessa jännitevahvistimessa tuloimpedanssi on ääretön ja lähtöimpedanssi on nolla, mutta käytännössä vahvistimessa tapahtuu häviöitä . 
Tuloimpedanssi aiheuttaa jännitehäviötä vahvistimen tulojen välillä, minkä takia piirin syötetty jännite ja vahvistimelle tuleva jännite eivät ole yhtä suuret. Suuren tuloimpedanssin takia vahvistimen läpi ei kulje suuria määriä virtaa, jolloin tuloimpedanssi ei aiheuta suurta teho häviötä. Vahvistimen tulon jännite saadaan kaavalla,
formula_4
missä V s on vahvistimelle syötetty jännite, Vin tulonapojen välinen jännite, Zin vahvistimen sisäinen impedanssi ja Rs syöttöjännitteen ja tulonapojen välinen vastus.
Lähtöimpedanssi aiheuttaa samanlaista häviötä kuin tuloimpedanssi. Lähtöimpedanssissa vahvistettu jännite on suurempi kuin ulostuleva jännite. Lähtönapojen välinen jännite saadaan kaavalla,
formula_5
missä V out on vahvistettu jännite, VL lähtönapojen välinen jännite, Zout vahvistimen sisäinen impedanssi ja RL lähtönapojen välinen ulkoinen vastus.
Takaisinkytkentä.
Takaisinkytkennässä vahvistimen lähtösignaalia vaimennetaan ja syötetään takaisin vahvistimen tuloon. Takaisinkytkentäsignaalina voidaan käyttää jännitettä tai virtaa. Jos takaisinkytkennän signaalin arvo tai vaihe on vastakkainen kuin tulosignaalin, käytetään kytkennästä nimitystä negatiivinen takaisinkytkentä. Negatiivinen takaisinkytkennän etuna on se vakaus, negatiivinen lähtösignaali pyrkii estämään tulosignaalin muutoksen .
Elektronisia vahvistimia.
Elektroninen vahvistin on signaalia vahvistava laite. Niitä käytetään laajalti elektroniikassa, esimerkiksi äänen ja radiosignaalin vahvistamiseen.
Vahvistimet jaotellaan niiden tulon ja lähdön perusteella. Niillä on vahvistusta, jonka suuruus kertoo lähtösignaalin suhteen tulosignaaliin. Vahvistus voidaan määritellä lähtö- ja tulojännitteen, lähtö- ja tulovirran tai lähtö- ja tulotehon, sekä näiden yhdistelmien välille. Monissa tapauksissa, joissa tulo ja lähtö ovat samassa yksikössä, vahvistuksella ei ole yksikköä (vaikka usein se ilmaistaan desibeleinä (dB)).
Neljä vahvistimien perustyyppiä ovat:
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. 
Lepovirran mukainen luokittelu.
Vahvistimet voidaan jakaa eri teholuokkiin piirin toimintaperiaatteen ja lepovirran mukaan.
Differentiaalivahvistin.
"Differentiaalivahvisti"n 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. 
Operaatiovahvistin.
Operaatiovahvistin on differentiaalivahvistimen erikoistapaus. Operaatiovahvistin on piiriteoriassa ideaalinen vahvistin, jonka avoimen silmukan vahvistus ja tuloimpedanssi ovat äärettömiä ja jonka vahvistus piirissä määräytyy pelkästään takaisinkytkentäkomponenttien arvoista. Käytännön kytkennöissä operaatiovahvistimen toiminnan toteuttaa tarkoitukseen suunniteltu mikropiiri, josta toimintansa mukaisesti myös käytetään nimitystä operaatiovahvistin.
Operaatiovahvistimen erilaisilla kytkentä tavoilla voidaan esimerkiksi summata tulojännitteitä. 
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.
Viritinvahvistin.
Viritinvahvistimessa on radiovastaanotin, esivahvistin ja päätevahvistin samassa kotelossa.
Esivahvistin.
"Esivahvistinta" käytetään vahvistamaan signaalia sopivaksi käsittelyä varten. Esivahvistimia on muun muassa miksereissä ja instrumenttivahvistimissa. Esimerkiksi studioissa ääntä tallennettaessa käytetään usein erillisiä esivahvistimia.
Päätevahvistin.
Päätevahvistin eli pääteaste on äänitekniikassa käytetty tehovahvistin. Esimerkki päätevahvistimesta on kotiteatterijärjestelmän vahvistin.
Putkivahvistin.
Putkivahvistin on elektroninen vahvistin, jossa tyhjiöputkessa nostetaan signaalin amplitudia tai tehoa.