تقویت*کننده عملیاتی

[tohid amini]

ایدهٔ بکارگیری تقویت کننده های عملیاتی یا اپ اَمپ (به انگلیسی: op-amp یا Operational amplifier) نخستین بار در دهه ۱۹۴۰م و در مدار رایانه های آنالوگ مطرح شد. در این کاربرد با قرار دادن عنصرهای گوناگون میان سرهای ورودی و خروجی تقویت کننده عملیاتی مدارهای گوناگون با کارایی های متفاوت طراحی می شد؛ و به وسیله آنها عملگرهای ریاضی مانند جمع، تفریق، ضرب، تقسیم، مشتق گیری و انتگرال گیری پیاده می شد. بدین ترتیب امکان پیاده سازی رایانه های آنالوگ (رایانه های امروزی دیجیتال هستند) برای حل معادلات دیفرانسیل فراهم گردید.با گسترش دامنهٔ کاربرد الکترونیک، استفاده از تقویت کننده عملیاتی نیز گسترش فراوان یافت. در سال ۱۹۶۰م نخستین بار تقویت کننده عملیاتی بصورت مدار مجتمع طراحی و ساخته شد و با حجم، وزن و قیمت بمراتب کمتر به بازار مصرف ارائه گردید. پیشرفت فناوری و مطرح شدن نیازهای متنوع تر و تخصصی تر، زمینه را برای عرضه تقویت کننده های عملیاتی خاص فراهم کرد. تقویت کننده عملیاتی درواقع یک تقویت کننده ولتاژ با بهرهٔولتاژ بسیار بالاست و معمولاً دارای یک سر خروجی و دو سر ورودی است که سرهای ورودی بصورت تفاضلی عمل می کنند. به عبارت دیگر، این تقویت کننده، اختلاف ولتاژ میان ورودی را تقویت می کند. یکی از دو سر، ورودی منفی (-) یا وارونگر نام دارد، زیرا تقویت کننده برای ورودی های اعمالی به این سر دارای بهرهٔ منفی خواهد بود. سر دیگر، ورودی مثبت (+) یا ناوارونگر است و نشانک های ورودی به این سر، در خروجی با بهرهٔ مثبت ظاهر می شوند. این تقویت کننده، دارای مقاومت خروجی بسیار کوچک (حدود چند اهم) بوده و از مقاومت ورودی بسیار بزرگی (بیش از چند صد کیلو اهم) برخوردار است. چون تقویت کننده عملیاتی، یک افزارهٔ فعال است، برای تأمین کارمایهٔ مصرفی و پیشقدر ترانزیستورهای داخلی خود به تغذیهٔ DC نیاز دارد.

یک تقویت کننده عملیاتی ایده آل دارای :

• بهره ولتاژ بینهایت دارد.
• مقاومت خروجی صفر دارد.
• مقاومت ورودی بینهایت دارد.
• پهنای باند بینهایت دارد.
• ولتاژ انحراف از میزان ورودی آن صفر است

ولی در عمل، تقویت کننده عملیاتی نمی تواند دارای همه خصوصیت های یادشده در مورد حالت ایده آل آن باشد. چرا که تقویت کننده عملیاتی، خود از به هم پیوستن چند طبقه تقویت کننده ترانزیستوری (در ادامه مطلب اشاره شده است) پدید آمده است و ناگزیر دارای محدودیت هایی در بهره ولتاژ،مقاومت ورودی، جریان خروجی و … است. گرچه این گونه محدودیت ها که در تقویت کننده عملیاتی معمولی وجود دارند اساس طراحی های انجامیده بر مبنای حالت آرمانی را برهم نمی زنند و فقط نتیجه ها را با تقریب روبرو می سازند، ولی تقویت کننده عملیاتی خاص با کارایی بالا نیز در بازار یافت می شوند که در برخی خصوصیت ها به وضعیت آرمانی بسیار نزدیک بوده و می تواند در طرح های ویژه بکار گرفته شوند. مثلاً تقویت کننده عملیاتی ای ساخته می شوند که دارای سرعت زیاد، جریان خروجی زیاد و مقاومت ورودی بزرگ می باشند. شناخت محدودیت های تقویت کننده عملیاتی واقعی، نه تنها در درک عمیق تر عملکرد مدارهای طراحی شده با این تقویت کننده عملیاتی ما را یاری می کند، بلکه برای گزینش تقویت کننده عملیاتی مناسب برای یک طرح منظور نیز ضرورت دارد.

بلوک های تشکیل دهنده تقویت کننده ی عملیاتی عبارت اند از:

• منبع های جریان
• تقویت کننده تفاضلی ورودی
• تقویت کننده میانی
• مدارهای تغییردهنده سطح DC
• طبقه خروجی (تقویت کننده توان که معمولاً یک تقویت کننده پوش پول است)

مدار داخلی:
آی سی های تقویت کننده عملیاتی، بنابه کاربردشان دارای مدارهای داخلی متفاوتی می باشند. آی سی ۷۴۱، جزو ساده ترین و ابتدایی ترین اپ اَمپ ها می باشد. مدار داخلی آن قابل مشاهده می باشد.
بخش آبی رنگ: این بخش، طبقه تفاضلی است. ترانزیستورهای Q1 تا Q4 زوج تفاضلی ورودی را تشکیل می دهد. Q5 و Q6 و Q7 بهمراه سه مقاومت، تشکیل بار فعال می دهند.
· بخش های قرمزرنگ: ترانزیستورها در طبقه های قرمز، تشکیل منبع های جریان می دهند و تقویت کننده های ترانزیستوری را پیشقدر می کنند. هرسه منبع جریان، از نوع آینه ای می باشند.
بخش صورتی رنگ: این طبقه، طبقهٔ تقویت کننده میانی است. Q۱۵ بعنوان بافر و Q۱۹ با مقاومت ۵۰ اهم در امیتر، یک طبقه امیتر مشترک تشکیل می دهد.
· بخش آبی آسمانی رنگ: طبقهٔ خروجی تقویت کننده یا همان تقویت کننده توان از رده AB (یا پوش پول) می باشد. علت استفاده از تقویت کننده ردهٔ AB در خروجی، تأمین جریان بارهای متنوع در خروجی است.
· بخش سبزرنگ: این طبقه، «چندبرابرساز ولتاژ بیس-امیتر» نامیده می شود و برای جلوگیری از واپیچش همگذری استفاده می شود. این طبقه، ترانزیستورهای تقویت توان را در آستانه روشن شدن، نگاه می دارد. برای رسیدن به پایداری حرارتی مطلوب، بجای مقاومت ۴٫۵k می توان از یک NTC استفاده کرد.
· مقاومتهای ۲۵ و ۵۰ اهم در خروجی تقویت کننده، جهت جلوگیری از رانش حرارتی ترانزیستورهای Q۱۴ و Q۲۰ بکار گرفته شده اند.
· خازن ۳۰Pf، جبرانساز میلر است و در مدار قطب پدیدمی آورد که بمنظور جلوگیری از ناپایداری و نوسان تقویت کننده در بسامدهای بالا مورد استفاده قرار گرفته است. (فضایی که یک خازن در مدار مجتمع اشغال می کند، چندین برابر فضای اشغالی توسط یک ترانزیستور است. پس در طراحی مدار مجتمع، باید از کمینه خازن و مقاومت استفاده کرد)

سرعت تغییرات خروجی (Slew Rate)
سرعت تغییر ولتاژ خروجی تقویت کننده عملیاتی محدود است. بعبارت دیگر، اگر به ورودی یک تقویت کننده عملیاتی شکل موج پله ای داده شود، خروجی شکل موج پله نخواهد داشت. بلکه افزایش ولتاژ خروجی با شیب معینی صورت می گیرد. این پراسنجه توسط بیشینه جریان شارژکنندهخازنجبران ساز C تعیین می شود. زیرا افزایش ولتاژ خروجی، مستلزم افزایش ولتاژ خروجی طبقه تقویت کننده میانی است که از طریق شارژ خازن C انجام می گیرد. بیشینه شیب تغییرهای ولتاژ خروجی را با یک پراسنجه به نام 'SR' مشخص می نمایند.

اندازه گیری Slew Rate

برای اندازه گیری Slew Rate می توان از یک «فانکشن ژنراتور» در حالت موج مربعی و یک نوسان نما استفاده کرد. Slew Rate برای حالت با بازخورد و بدون بازخورد یکسان است. این پراسنجه برای تقویت کننده های عملیاتی معمولی حدود چند ولت بر میکروثانیه بوده و برای تقویت کننده های عملیاتی با کارایی بالا از ۱۰۰ ولت بر میکروثانیه نیز می تواند بیشتر باشد.


پهنای باند واحد:
در یک تقویت کننده عملیاتی واقعی، نه تنها بهره ولتاژ حلقه-باز محدود است بلکه این مقدار نیز تا فرکانس حدود میان ۱۰Hz تا 1KHz ثابت است و پس از آن کاهش می یابد. این کاهش بمیزان 20dB/dec با افزایش فرکانس ادامه می یابد. پهنای باند بهره واحد در تقویت کننده های عملیاتی معمولی حدود ۱MHz است. در تقویت کننده های عملیاتی سریع مقدار این پراسنجه ممکن است به بیش از چند ده مگاهرتز نیز برسد.
مقاومتهای ورودی و خروجی:

برخلاف تقویت کننده عملیاتی آرمانی که مقاومت خروجی آن را صفر در نظر گرفتیم، تقویت کننده عملیاتی واقعی دارای یک مقاومت خروجی در حدود ۱۰۰ اهم می باشد. (برای تقویت کننده های عملیاتی معمولی) البته در تقویت کننده هایی که با استفاده از تقویت کننده عملیاتی و مقاومت های خارجی ساخته می شوند مقاومت خروجی مدار از مقاومت خروجی تقویت کننده عملیاتی کمتر خواهد بود. در این حالت، مقاومت خروجی تقویت کننده عملیاتی در مدار نقش چندان مهمی ندارد و می توان از آن صرف نظر کرد. تأثیر قابل توجه این مقاومت در پاگیرایی خروجی مدار وقتی ظاهر می شود که محدودیت عرض باند را در نظر بگیریم

تقویت کننده عملیاتی بعنوان مقایسه گر (اپ اَمپ بدون بازخورد)
هنگامی که ولتاژ پایه مثبت (ناوارونگر) از ولتاژ پایه منفی (وارونگر) بیشتر باشد، خروجی اپ اَمپ، برابر با تغذیه مثبت می شود (تغذیه مثبت در خروجی ظاهر می شود) و هنگامی که ولتاژ پایه مثبت (ناوارونگر) از ولتاژ پایه منفی (وارونگر) کمتر باشد، خروجی اپ اَمپ، برابر با تغذیه منفی می شود (تغذیهٔ منفی در خروجی ظاهر می شود) به رابطه ها توجه کنید.

کاربردهای تقویت کننده:

تقویت کننده ناوارونگر

تقویت کننده وارونگر و توانمند

ساخت بافر به کمک اپ اَمپ

در این حالت، بهره ولتاژ، برابر یک است. مقاومت ورودی این مدار با توجه به صفر بودن جریان ورودی سر مثبت، برابر بینهایت است. ملاحظه می شود که تقویت کننده مذکور، هم شرایط یک بافر را داراست (بهر ولتاژ یک،مقاومت ورودی بینهایت و مقاومت خروجی صفر) و به همین دلیل در بسیاری از کاربردها بعنوان یک مدار بافر تقریباً آرمانی مورد استفاده قرار می گیرد. این مدار را «ولتاژ-پیرو» نیز می نامند؛ زیرا ولتاژ خروجی آن همواره ولتاژ ورودی را دنبال می کند.

ساخت جمع کننده به کمک اپ اَمپ

هریک از تقویت کننده های با بهرهٔ منفی یا مثبت را با افزودن چند مقاومت در ورودی مطابق شکل می توان به مدار جمع کننده تبدیل کرد با تعویض سرهای + و – بهره مثبت می شود.

تقویت کننده تفاضلی

منظور از تقویت کننده تفاضلی، تقویت کننده ای است که در خروجی آن تفاضل دو ترمینال ورودی با بهره معینی ظاهر می شود. در تقویت کننده های تفاضلی، معمولاً مقدار متوسط ترمینال های ورودی نیز تقویت شده و بصورت یک مولفه ناخواسته در خروجی ظاهر می شود. در یک تقویت کننده تفاضلی ایده آل این مولفه در خروجی صفر است.

مدار انتگرالگیر

این مدار، شکل موج مربعی را به شکل موج دندانه اره ای تبدیل می کند و در نوسان نما کاربرد دارد. البته درعمل باید به موازات خازن c یک مقاومت بزرگ قرار داد تا بازخورد از دیدگاه DC برقرار باشد.

مدار مشتقگیر

این مدار، شکل موج دندانه اره ای را به شکل موج مربعی تبدیل می کند

کاربردهای ناخطی (لگاریتمی و پاد-لگاریتمی (نمایی))

تقویت کننده لگاریتمی

جریان اشباع معکوس

در دمای اتاق (۲۵ درجهٔ سلسیوس) برابر ۲۶ میلی ولت است.

تقویت کننده پاد-لگاریتمی(نمایی)


جریان اشباع معکوس
در دمای اتاق (۲۵ درجه سلسیوس) برابر ۲۶ میلی ولت است.

کاربرد اپ اَمپ در طراحی پالایه های فعال

از اپ اَمپ می توان در ساخت پالایه های مانسته فعال استفاده کرد. نمونه ای از این دست، پالایه را در ذیل می بینید.

اپ اَمپ با بازخورد مثبت

هنگامی که پایه خروجی بطریقی به ورودی ناوارونگر وصل باشد، مدار کاربرد تقویت کننده ی ندارد. با این روش می توان مدارهای نظیر تکپایا، ناپایا، دوپایای و اشمیت تریگر ساخت.

اشمیت تریگر با اپ اَمپ

از اپ اَمپ در ساخت اشمیت تریگر نیز استفاده می شود. به شکل های زیر دقت کنید.

تنظیم گر با تقویت کننده عملیاتی

گرچه استفاده از تنظیم گرهای ولتاژ ساده در بسیاری از سامانه های الکترونیکی ارزانقیمت متداول است، ولی در منبع های تغذیهی تجاری که تنظیم ولتاژ، بهتر و دقیق تر و نیز ولتاژ خروجی تغییرپذیر ملزوم است.

ژیراتور

در طراحی پالایه های نافعال، به دلیل استفاده از القاگر، مدارها بسیار سنگین، بزرگ و گران می شوند و دارای تلفات نیز می باشند. به همین دلیل، استفاده از پالایه های فعال که در آن از القاگر استفاده نمی شود، دارای مزیت می باشد. یکی از انواع پالایه های فعال، پالایه ای است که در آن از ژیراتور استفاده می شود. در این روش، ابتدا پالایه نافعال را سنتز کرده سپس بجای القاگر از ژیراتور که ترکیبی از مقاومت و خازن و تقویت کنندهٔ عملیاتی است، را جایگزین می کنیم

مبدل پاگیرایی منفی


منظور از مبدل پاگیرایی منفی، مداری است که بتواند با استفاده از مقاومت های معمولی در دو سر ورودی خود یک مقاومت منفی ایجاد کند. در مدار شکل روبرو می توان نمایاند که نسبت به یک عدد منفی است. به عبارت دیگر، از سر ورودی مثبت، مدار دارای مقاوت منفی است

یکسوساز دقیق

با استفاده از تقویت کنندهٔ عملیاتی و دیود می توان یک، یکسوساز تقریباً ایده آل ساخت. در مدار یکسوساز دقیق ولتاژ ورودی به جای آنکه مستقیماً به دیود وصل شود از طریق یک آپ امپ به آن وصل می شود. یعنی ورودی به سر ورودی مثبت آپ امپ و خروجی آپ امپ نیز بعد از اتصال به دیود با یک فیدبک منفی به سر ورودی منفی آپ امپ وصل می شود؛ بنابراین هنگامی که ولتاژ ورودی کوچک تر از صفر باشد دیود خاموش است و بازخوردمنفی برقرار نمی شود پس ولتاژ خروجی صفر است؛ و هنگامی که ولتاژ ورودی بزرگ تر از صفر باشد دیود روشن می شود بازخورد منفی برقرار می شود و ولتاژ خروجی، برابر ولتاژ ورودی می شود. در نتیجه اگر دیود روشن باشد ولتاژ خروجی تنها به مقدار بسیار بسیار ناچیزی از ولتاژ ورودی کمتر خواهد بود (به اندازه ولتاژ دیود تقسیم بر بهره حلقه باز آپ امپ). زیرا ولتاژ دو سر ورودی آپ امپ تقریباً برابر است.
این یکسوساز، نیم موج است.

یکسوساز دقیق بهبودیافته

در این مدار، چون خروجی تقویت کنندهٔ عملیاتی به اشباع مثبت و منفی نمی رود، نرخ شیب (Slew Rate) خود را خیلی کم می نمایاند و از مدار پیشین، کیفیت بهتری دارد. (گرچه این مدار در بسامدهای بالا Slew Rate خوبی از خود نمی نمایاند ولی از مدار پیشین بهتر است)

چند تقویت*کنندهٔ عملیاتی پرکاربرد

LM324: این آی سی، محبوب ترین آی سی برای مدارهای ربات مسیریاب است. این آی سی، حاوی چهار عدد اپ اَمپ (DUAL AP-AMP) است. این اپ اَمپ ها برای مقایسهٔ ولتاژهای ایجادی از حسگرها بکار می روند.
ULN2803: آی سی ULN2803، حاوی میانگیر NOT است. پایه ۹ آن تغذیهٔ منفی و پایه ۱۸ آن تغذیه مثبت است. جریان خروجی آن درحدود ۵۰۰ میلی آمپر است. این آی سی بیشتر برای درایو کردن موتور پله ای و در پروژه های ربات مسیریاب مورد استفاده قرار می گیرد.
TL022CP: این آی سی، یک اپ اَمپ شامل دو تقویت کنندهٔ کم مصرف می باشد. از خصوصیت های این تراشه، پاگیرایی ورودی بالا و جریان تغذیه کم می باشد.
LM358N: این آی سی، یک اپ اَمپ شامل دو تقویت کننده با مصرف پایین و بهره بالا می باشد.

[Ahmadrreza]

پاسخ : تقویت کننده عملیاتی

سلام من یه تقویت کننده با op177 بستم ولی مثلا به جای اینکه گین 100 بده گین 70 میده مشکل از کجاست؟

[نو رسیده]

پاسخ : تقویت کننده عملیاتی

سلام من یه تقویت کننده با op177 بستم ولی مثلا به جای اینکه گین 100 بده گین 70 میده مشکل از کجاست؟

با سلام
همینطوری نمیشه نظر داد.
هم به مقاومتهای بکار رفته بستگی داره و هم به میزان جریان خروجی و مقاومت بار.