Kuormitus

Vahvistimen tärkeimpiä ominaisuuksia ovat mm. tulo- ja lähtöresistanssi (impedanssi). Nämä impedanssit vaikuttavat piirin toimintaan, kun vahvistin liitetään muihin komponentteihin, esimerkiksi musiikkilähteeseen ja kaiuttimeen. Perusperiaatteiltaan näiden resistanssin vaikutusta voidaan mallintaa sähkötekniikan peruslakien avulla, kunhan:

• vahvistimesta on tehty yksinkertaistettu malli
• signaalilähde on mallinnettu Thevéninin (tai Nortonin) menetelmällä
• kuormitus voidaan yksinkertaistaa resistanssiksi (impedanssiksi).

Kuormistus vahvistimen tulopuolella

Äärellinen vahvistimen tuloimpedanssi mahdollistaa virran kulun tulopiirissä.

Tällöin tapahtuu jännitehäviö lähteen lähtöresistanssissa Ohmin lain mukaisesti.

Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että jos syöttävällä lähteellä on suurehko lähtöimpedanssi/resistanssi (Thevéninin mallin mukaan), tapahtuu lähtöimpedanssissa jännitehäviötä, koska tulopiirissä kulkee virtaa i_i . Tämä aiheuttaa taas sen, että kaikki syöttävästä lähteestä saatava jännite ei pääse vahvistimen tuloon, eli signaali ts. vaimeenee ennen vahvistettavaksi pääsyä. Ideaalisen jännitevahvistimen tuloimpedanssi on ääretön, joten signaali ei vaimene.

Aiemmin esillä olleessa vahvistinesimerkkissä vahvistimen toimintaa on mallinnettu kuvan yksinkertaistetulla kytkennällä. Vahvistimen kuormittavuutta voidaan tarkastella syöttävän lähteen lähtöresistanssin R_s ja vahvistimen tuloresistanssi R_i avulla. Jos tuloresistanssi R_i on aimmin esitetty 1 M, saadaan vahvistimen tulonapoihin jännite u_i , joka on n. 0,990 mV. Tämä on melkein syöttävän lähteen lähtöjännite (u_s) 1mV, mutta vahvistin kuormittaa kytkentää kuitenkin hieman.  Tämän johdosta signaali hieman vaimenee ennen vahvistimen tuloon pääsyä, koska syöttävän lähteen sisäresistanssissa R_s tapahtuu 10mV:n jännitehäviö (huomaa taas yhtäläisyys esimerkkiin pariston sisäresistanssista).

Jos vaihdamme esimerkin nimissä vahvistimen tuloimpedanssiksi R_i 10 k, kuormitusvaikutus kasvaa merkittävästi. Laskemalla saadaan tulojännitteeksi
=10k/(10k+10k)*1mV=0.5mV

Vahvistimelle saatava jännite vaimenee siis puoleen alkuperäisestä. Toinen puoli signaalista kuluu hukkalämmöksi syöttävän lähteen sisäresistanssissa.

Edellistä kaavaakin tutkiskelemalla päädytään lopputulokseen, että mitä pienenpi vahvistimen tuloimpedanssi R_i on, sitä pienempi jännite saadaan vahvistimelle asti vahvistettavaksi, ts. sitä suurempi osa signaalista "menee hukkaan". Ideaalitapauksessa vahvistimen tuloresistanssi/impedanssi tulisi olla äärettömän suuri, jos halutaan signaali vaimentumattomana vahvistimelle. Tätä tuloimpedanssin aiheuttamaa ilmiötä kutsutaan yleisesti vahvistimen tulon kuormitusvaikutukseksi.

VAHVISTIMEN LÄHTÖPUOLELLA

Vahvistimen (kuormitus)virta aiheuttaa vastaavasti jännitehäviötä vahvistimen sisäisessä lähtöimpedanssissa, jos vahvistimesta lähtöön kytketään jotakin ( = kuorma).

kaikki jännite ei pääse vahvistimen lähtöön, vaan osa muuttuu häviöksi vahvistimen lähtöimpedanssissa R_o (ideaali R_o = 0)

Jos hieman yksinkertaistamme lukuarvoja, ja valitaan tarkasteluun tapaus, jossa vahvistettu signaali (A_uo u_i ) on 1V, voidaan resistanssien avulla laskea lähtöjännitteen u_o arvo: 1*8/(8+2) = 0.8V.  Näillä arvoilla tarkasteltuna vahvistimen sisäisessä resistanssissa R_o tapahtuu 0.2 V:n jännitehäviö, eli vahvistetusta signaalista menee osa hukkaan.

Jos muutamme vahvistimen lähtöresistanssin arvoa suuremmaksi, voimme taas, kaavaan vedoten, havaita, että mitä suurempi lähtöresistanssi, sitä pienempi osa vahvistetusta jännitetteestä saadaan vahvistimeen liitettyyn kuormaan R_L. Vahvistimen sisäisissä häviöissä (lähtöresitanssissa) osa signaalista "menee jälleen hukkaan" ja muuttuu lämmöksi. Jos kaikki vahvistettu jännite haluttaisiin kuormitukseen, tulisi vahvistimen lähtöresistanssin olla ideaalitapauksessa 0. Tätä vahvistimeen liitetyn kuormituksen ja vahvistimen lähtöresistanssin aiheuttamaa ilmiötä kutsutaan kuorman aiheuttamaksi vahvistimen kuormittumiseksi.