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 vahvistuksen kuvaaja. Vahvistimeen syötetty jännite V_i (Sininen) ja vahvistimen lähtöjännite V_o (Punainen) .

Ideaalisen vahvistimen kaistanleveys ja vahvistuskerroin ovat äärettömät. Ideaalinen vahvistin ei myöskään aiheuta vaihesiirtymää tulo- ja lähtösignaalien välille ^[1]. 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 ^[2]. 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 ^[3]. 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 ^[4]. 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. ^[5]. Vuoteen 1984 saakka valmistetussa neuvostoliittolaisessa MiG-25:ssä käytettiin tyhjiöputkia sekä hakututkan vahvistimena että ohjaustietokoneen kytkiminä ^[6].

2010-luvulla putkivahvistimesta kiinnostuttiin uudelleen, kun tutkimusryhmät pyrkivät valmistamaan THz-luokan vahvistimia avaruus- ja materiaalitutkimuksen tarpeisiin. Esimerkiksi DARPA kehitti niin puolijohteisiin ^[7] kuin elektroniputkiin ^[8] perustuvan alimillimetrialueen vahvistimen.

Käsitteitä

Vahvistimen laatua kuvataan erilaisilla käsitteillä, joista keskeisimpiä lueteltu alla:

• Kohina, epätoivottu stokastinen häiriö lähtösignaalissa
• Kaistanleveys, taajuusalue, jolla vahvistin toimii
• Vahvistus, tulon ja lähdön amplitudin välinen suhde
• Stabiilisuus, vahvistimen ominaisuus välttää itsestään tapahtuvaa oskillointia
• Nousuaika ja asettumisaika kertovat, kuinka hyvin vahvistimen lähtösignaali vastaa ideaalista askelvastetta

Ideaalinen vahvistin

Ideaalinen vahvistin vahvistaa tulevan aaltomuodon, muuttamatta aaltomuodon muita parametreja kuten taajuutta tai aallon muotoa. Ideaalisen vahvistimen ominaisuudet: ^[9]

• Aaltomuoto pysyy samana
• Vahvistus ääretön
• Vaihesiirto nolla
• Kaistanleveys ääretön
• Suuren kuorman liittäminen ei vaikuta vahvistukseen

Tulo- ja lähtöimpedanssin arvot vaihtelevat riippuen vahvistimen tyypistä: ^[10]

• Jännitevahvistimella tuloimpedanssi on ääretön ja lähtöimpedanssi on nolla
• Virtavahvistimella tuloimpedanssi on nolla ja lähtöimpedanssi on ääretön
• Transkonduktanssivahvistimella tuloimpedanssi on ääretön ja lähtöimpedanssi on ääretön
• Siirtovastusvahvistimen tuloimpedanssi on nolla ja lähtöimpedanssi on nolla.

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.

${\displaystyle A_{\text{v}}={\frac {V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}}.}$

Virran amplitudien muutoksen saadaan laskemalla lähtö- ja tulovirtojen suhde.

${\displaystyle A_{\text{i}}={\frac {I_{\text{out}}}{I_{\text{in}}}}.}$

Vahvistus ilmaistaan yleensä desibeleissä, joka saadaan laskettua kaavalla

${\displaystyle G_{\text{u}}=20log_{10}*{\frac {V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}}.}$

missä G_u on vahvistus desibeleissä.

Taajuusvaste

Pääartikkeli: 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 ^[11]. 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,

${\displaystyle V_{\text{in}}=V_{\text{s}}*{\frac {Z_{\text{in}}}{R_{\text{s}}*Z_{\text{in}}}}.}$

missä V _s on vahvistimelle syötetty jännite, V_in tulonapojen välinen jännite, Z_in vahvistimen sisäinen impedanssi ja R_s syöttöjännitteen ja tulonapojen välinen vastus. Lähtöimpedanssi aiheuttaa samanlaista häviötä kuin tuloimpedanssi. Lähtöimpedanssissa vahvistettu jännite on suurempi kuin ulostuleva jännite. Lähtönapojen välinen jännite saadaan kaavalla,

${\displaystyle V_{\text{L}}=V_{\text{out}}*{\frac {R_{\text{L}}}{Z_{\text{out}}*R_{\text{L}}}}.}$

missä V _out on vahvistettu jännite, V_L lähtönapojen välinen jännite, Z_out vahvistimen sisäinen impedanssi ja R_L lähtönapojen välinen ulkoinen vastus.

Takaisinkytkentä

Pääartikkeli: 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 ^[12].

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:

• Jännitevahvistin - Tämä on yleisin vahvistintyyppi. Tulojännitettä vahvistetaan suuremmaksi lähtöjännitteeksi. Vahvistimen tuloimpedanssi on suuri ja lähtöimpedanssi on alhainen
• Virtavahvistin - Tämä vahvistin vahvistaa lähtövirtaa tulovirran suhteen. Vahvistimen tuloimpedanssi on alhainen ja lähtöimpedanssi on korkea
• Transkonduktanssivahvistin - Tämä vahvistaa lähtövirtaa muuttuvan tulojännitteen mukaisesti
• Transimpedanssivahvistin - Tämä vahvistaa lähtöjännitettä muuttuvan tulovirran mukaisesti

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.

• A-luokka Vahvistimen transistori tai elektroniputki johtaa koko ajan, joten vahvistimen hyötysuhde on heikko, korkeintaan 25 %. Signaalin särö on kuitenkin pieni. A-luokan vahvistimia käytetään pääasiassa esivahvistimissa ja muissa pientehosovelluksissa, mutta myös joissakin varsinaisissa tehovahvistimissa. Huonon hyötysuhteensa vuoksi tehokkaat A-luokan tehovahvistimet kuitenkin vaativat epäkäytännöllisen järeää jäähdytystä. A-luokan kytkentöjä käytetään yleisesti pienissä putkivahvistimissa edelleen.

• B-luokka Vahvistimessa on kaksi transistoria (tai elektroniputkea), joista toinen johtaa vain positiivisen ja toinen negatiivisen puolijakson ajan. Signaalin ollessa nolla kumpikaan ei johda. Vahvistimella esiintyykin signaalin nollakohdan tuntumassa ylimenosäröä, joka aiheutuu signaalin vaihtumisesta transistorilta tai putkelta toiselle. Hyötysuhde on korkeintaan 78,5 %

• AB-luokka Kuten B-luokan vahvistin, mutta ylimenosäröä on pienennetty asettamalla transistorien toimintapiste niin, että pienellä signaalitasolla kumpikin transistori toimii A-luokassa ja signaalin kasvaessa toiminta on B-luokan mukaista. AB-luokka on ollut ylivoimaisesti yleisin vahvistinluokka 1970-luvun lopusta alkaen.

• C-luokka Lähinnä radiotaajuuksilla toimivissa lähettimissä käytettävä vahvistintyyppi. Hyötysuhde on jopa 90 %, koska transistorit tai -putket toimivat lähestulkoon kytkimen tapaan. Signaalin särö on myös suuri, mutta käyttösovelluksissa sillä ei ole juurikaan merkitystä, sillä useimmiten C-luokan vahvistimen kuormana on viritetty resonanssipiiri, joka suodattaa harmoniset särökomponentit pois.

• D-luokka Vahvistimen transistorit toimivat kytkimien tapaan, jolloin hyötysuhde on parhaimmillaan jopa 95 %. Transistoreja ohjataan useimmiten pulssinleveysmoduloidulla (PWM) signaalilla, jonka taajuus on moninkertainen verrattuna korkeimpaan vahvistettavaan taajuuteen. Tällöin modulointitaajuus on helppo suodattaa pois yksinkertaisella alipäästösuotimella ja vahvistimesta saatava signaali on periaatteessa samanlainen verrattuna sille syötettyyn analogiseen signaaliin. D-luokan merkittävimmät edut ovat keveys ja erittäin pieni lämmöntuotto. Kokonaisuudesta tulee huomattavan pieni ja tehokas. Aiemmin D-luokka on kärsinyt säröongelmista, mutta ominaisuuksia on saatu sittemmin parannettua.

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.

Operaatiovahvistin

Pääartikkelit: Operaatiovahvistin ja Operaatiovahvistimen kytkennät

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 ^[13]. 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

Pääartikkeli: Viritinvahvistin

Viritinvahvistimessa on radiovastaanotin, esivahvistin ja päätevahvistin samassa kotelossa.

Esivahvistin

Pääartikkeli: Esivahvistin

Esivahvistinta käytetään vahvistamaan signaalia sopivaksi käsittelyä varten. Esivahvistimia on muun muassa miksereissä ja instrumenttivahvistimissa. Esimerkiksi studioissa ääntä tallennettaessa käytetään usein erillisiä esivahvistimia.

Päätevahvistin

Pääartikkeli: Päätevahvistin

Päätevahvistin eli pääteaste on äänitekniikassa käytetty tehovahvistin. Esimerkki päätevahvistimesta on kotiteatterijärjestelmän vahvistin.

Putkivahvistin

Pääartikkeli: Putkivahvistin

Putkivahvistin on elektroninen vahvistin, jossa tyhjiöputkessa nostetaan signaalin amplitudia tai tehoa.

Katso myös

• Vaimennin
• Servo
• Magneettivahvistin
• Operaatiovahvistimen kytkennät

Kirjallisuutta

• Infopress: Servo- ja pientaajuusvahvistimet. (Elektroniikan perusteet III) Helsinki: Infopress, 1978. ISBN 951-737-067-9
• Infopress: Oskillaattorit ja vahvistimet. s. 1–256. (Elektroniikan perusteet IV) Helsinki: Infopress, 1978. ISBN 951-737-055-5
• Infopress: Pientaajuusvahvistimien suunnittelu piikomplementtitransistoreja käyttäen, s. 1–156. Helsinki: Infopress, 1975.
• Salste, Mikko; Porra, Veikko: Elektroniikka: sovelletun elektroniikan ja digitaalitekniikan perusteet. Otaniemi: Otakustantamo, 1973. ISBN 951-671-053-0

• Slone, G. Randy;: High-Power Audio Amplifier Construction Manual. Mcgraw-Hill, 1999. ISBN 978-0071341196 (englanniksi)
• Self, Douglas: Audio Power Amplifier Design Handbook. Newnes, 2006. ISBN 0750680725 (englanniksi)
• Grebennikov, Andrei; Sokal, Nathan O.,: Switchmode RF power amplifiers. Newnes, 2007. ISBN 978-0750679626 (englanniksi)

Lähteet

1. HyperPhysics: The Ideal Op-amp HyperPhysics. Viitattu 10.4.2018.
2. Poole, Ian: History of Vacuum Tube / Thermionic Valve Electronic Notes. Viitattu 9.4.2018.
3. Faculty of Engineering, Ain Shams University: MCT242: Electronic Instrumentation, Operational Amplifiers mct.asu.edu.eg. Viitattu 9.4.2018.
4. All About Circuits: Tubes versus Semiconductors allaboutcircuits.com. Viitattu 9.4.2018.
5. eenewseurope.com: Is there still room for the vacuum tube? eenewseurope.com. Viitattu 9.4.2018.
6. FOREIGN TECHNOLOGY DIVISION: THE MIG-25, A VERY HIGH SPEED INTERCEPTOR AND RECONNAISSANCE dtic.mil. Viitattu 10.4.2018.^{[vanhentunut linkki]}
7. phys.org: New vacuum power amplifier demonstrated at 0.85 Terahertz phys.org. Viitattu 10.4.2018.
8. eetimes.com: DARPA Gets Guinness Record for World's First THz Amp eetimes.com. Viitattu 10.4.2018.
9. Kuisma, Mikko: Vahvistus kuisma.eu. Viitattu Vahvistus 10.4.2018.
10. ecetutorials.com: Types of amplifiers ecetutorials.com. Arkistoitu 11.4.2018. Viitattu 10.4.2018.
11. electronics-tutorials.ws: Input Impedance of an Amplifier electronics-tutorials.ws. Viitattu 10.4.2018.
12. electronics-tutorials.ws: Negative Feedback Systems electronics-tutorials.ws. Viitattu 10.4.2018.
13. Benjamin Crabtree: Practical Uses of Instrumentation Amplifiers allaboutcircuits.com. Viitattu 10.4.2018.

Aiheesta muualla