00:00 1402/02/18
تقویت کننده عملیاتی یا آپ امپ، یک تقویت کننده الکترونیکی ولتاژ، با بهره بالا و دارای اتصالDC بین ورودی و خروجی است. آپ امپ‌ها معمولا دارای دو ورودی دیفرانسیلی و یک خروجی هستند. تقویت کننده‌های عملیاتی یکی از بلوک‌های اصلی در مدارهای الکترونیکی آنالوگ هستند و کاربردهای مختلفی مانند تقویت سیگنال، شرطی سازی سیگنال، فیلتر کردن، عملیات ریاضی و غیره را دارند.
لیون الکترونیک فروشگاه اینترنتی قطعات الکترونیک تهران
آپ امپ ها دو ورودی دارند، یکی ورودی غیر معکوس کننده (+) و دیگری ورودی معکوس کننده (-) و همچنین دارای یک خروجی هستند. در آپ امپ‌ها ولتاژ خروجی متناسب با تفاوت ولتاژ بین دو ورودی ایجاد می‌گردد. آپ امپ ها را می‌توان با اجزای فیدبک خارجی مانند مقاومت و خازن برای تعیین بهره، امپدانس ورودی و خروجی، پهنای باند و غیره پیکربندی کرد.
منشأ و نام آپ امپ، به رایانه های آنالوگ می رسد، جایی که از آنها برای انجام عملیات ریاضی در مدارهای خطی، غیر خطی و وابسته به فرکانس استفاده می‌شد. محبوبیت آپ امپ به عنوان یک بلوک در مدارهای آنالوگ به دلیل تطبیق پذیری بالای آن است. با استفاده از فیدبک منفی، ویژگی های یک مدار آپ امپ، مانند بهره، امپدانس ورودی و خروجی، پهنای باند و غیره توسط اجزای خارجی تعیین می‌شود و وابستگی کمی به ضرایب دما یا تلورانس ساخت در خود آپ امپ دارد.
بیشتر بخوانید: اپ امپ چیست
آپ امپ ها امروزه به طور گسترده ای در دستگاه‌های الکترونیکی، از جمله مجموعه وسیعی از دستگاه های الکترونیکی مصرفی، صنعتی و آزمایشگاهی استفاده می شود. بسیاری انواع آیسی آپ امپ استاندارد تنها چند سنت قیمت دارند. با این حال، برخی از انواع آی سی های تقویت کننده یکپارچه یا ترکیبی با مشخصات عملکردی خاص ممکن است در حدود 100 دلار آمریکا قیمت داشته باشند.
تقویت کننده‌های عملیاتی ممکن است به عنوان قطعات مجزا پکیج شوند یا به عنوان عناصر مدارهای مجتمع پیچیده تر استفاده گردند.
عملیات پایه در آپ امپ
عملکرد اصلی یک آپ امپ را می توان با در نظر گرفتن ورودی‌های آن به عنوان یک تقویت کننده دیفرانسیل درک کرد. تقویت کننده دیفرانسیل مداری است که تفاوت بین دو سیگنال ورودی را تقویت می‌کند. شکل زیر شکل تعمیم یافته یک تقویت کننده دیفرانسیلی را با دو ورودی با علامت گذاری V1 و V2 نشان می دهد.
ولتاژ خروجی در تقویت کننده دیفرانسیلی به صورت زیر محاسبه می‌شود می‌شود:
Vout = A * (V1 - V2)
که در آن A بهره حلقه باز تقویت کننده است (اصطلاح "حلقه باز" به عدم وجود یک حلقه بازخورد خارجی از خروجی به ورودی اشاره دارد). بهره حلقه باز یک آپ امپ معمولاً بسیار زیاد است (100000 یا بیشتر برای آیسی‌های آپ امپ)، و بنابراین حتی یک تفاوت بسیار کوچک بین V1 و V2 خروجی تقویت کننده را به سمت حالت قطع یا اشباع سوق می دهد. قطع شدن زمانی اتفاق می افتد که ولتاژ خروجی به حداکثر یا حداقل مقداری می رسد که آپ امپ می تواند تولید کند (معمولاً نزدیک به ولتاژ ریل منبع تغذیه)، و اشباع زمانی رخ می دهد که ولتاژ خروجی حتی اگر ولتاژ ورودی تغییر کند، ثابت بماند.
برای جلوگیری از حالت قطع یا اشباع و برای کنترل بهره در مدار آپ امپ، از فیدبک منفی استفاده می‌شود. فیدبک منفی تکنیکی است که بخشی از سیگنال خروجی را به ورودی معکوس کننده آپ امپ باز می‌گرداند. این کار باعث کاهش اختلاف موثر بین دو ورودی و تثبیت ولتاژ خروجی می شود. شکل زیر یک شماتیک ازپیکربندی بازخورد منفی را نشان می دهد.
بنابراین بازخورد منفی وابستگی مدار آپ امپ را به مشخصات داخلی آپ امپ کاهش می دهد و آن را قابل پیش بینی تر و پایدارتر می کند.
طبقه بندی آپ امپ‌ها بر اساس نوع سیگنال خروجی و ورودی
چهار طبقه بندی آپ امپ بر اساس سیگنال های ورودی و خروجی وجود دارد:
- تقویت کننده های ولتاژ: این تقویت کننده‌ها ولتاژ را از طریق ورودی دریافت کرده و در خروجی ولتاژ تولید می‌کنند.
- تقویت کننده های جریان: این تقویت کننده‌ها یک جریان ورودی را دریافت می‌کنند و یک خروجی جریانی تولید می‌کنند.
- تقویت کننده های ترانس رسانایی (Transconductance amplifiers): این تقویت کننده‌ها ورودی ولتاژی را به خروجی جریانی تبدیل می‌کنند.
- تقویت کننده های مقاومتی عبوری (Transresistance amplifiers): این تقویت کننده‌ها یک ورودی جریانی را تبدیل به یک خروجی ولتاژی می‌کنند.
بررسی و معرفی انواع آپ امپ
در این مقاله به تقویت کننده های ولتاژ می پردازیم که رایج ترین نوع آپ امپ هستند.
بیشتر بخوانید: تستر اپ امپ (OPAMP TESTER) چیست؟
تقویت کننده های ولتاژ
تقویت کننده های ولتاژی مداراتی هستند که اختلاف ولتاژ بین ورودی‌های خود را تقویت کرده و یک ولتاژ خروجی تولید می کنند. انواع مختلفی از تقویت کننده های ولتاژ وجود دارد که هر کدام ویژگی ها و کاربردهای متفاوتی دارند. برخی از رایج ترین کاربردهای آپ امپ عبارتند از:
مدار دنبال کننده ولتاژ
ولتاژ فالوور یک مدار آپ امپی است که ولتاژ خروجی‌ای برابر با ولتاژ ورودی تولید می‌کند. دنبال کننده ولتاژ از یک پیکربندی غیر معکوس با بهره واحد استفاده می‌کند. دنبال کننده ولتاژ را می‌توان برای بافر سیگنال، تطبیق امپدانس، تغییر سطح و غیره استفاده کرد.
برای دیدن واردات قطعات الکترونیک کلیک کنید
تقویت کننده غیر معکوس کننده
تقویت کننده غیر معکوس یک مدار آپ امپ است که ولتاژ خروجی را در فاز و متناسب با ولتاژ ورودی تولید می‌کند. بهره تقویت کننده غیر معکوس با نسبت مقاومت فیدبک به ترکیب موازی مقاومت ورودی و امپدانس ورودی op-amp تعیین می‌شود. تقویت کننده غیر معکوس را می توان برای بافر سیگنال، مقیاس بندی و غیره استفاده کرد.
VOUT=(1+R2/R1)×VIN
تقویت کننده معکوس کننده
تقویت کننده معکوس کننده یک مدار آپ امپی است که ولتاژ خروجی معکوس و متناسب با ولتاژ ورودی تولید می‌کند. بهره تقویت کننده معکوس کننده با نسبت مقاومت فیدبک به مقاومت ورودی تعیین می‌شود. تقویت کننده معکوس کننده می‌تواند برای وارونگی سیگنال، مقیاس بندی، جمع و غیره استفاده شود.
VOUT= - (R2 / R1) x VIN
مدار جمع کننده معکوس کننده
یک تقویت کننده جمع کننده یک مدار تقویت کننده است که ولتاژ خروجی آن، متناسب با مجموع وزنی ولتاژهای ورودی چندگانه است. بهره هر ولتاژ ورودی با نسبت مقاومت فیدبک به مقاومت ورودی مربوطه تعیین می شود. تقویت کننده جمع کننده را می‌توان برای اختلاط سیگنال، میانگین گیری و غیره استفاده کرد.
Vo = - Rf ((V1/R1) + (V2/R2) + (V3/R3))
تقویت کننده دیفرانسیلی
تقویت کننده دیفرانسیل یک مدار آپ امپی است که ولتاژ خروجی متناسب با اختلاف بین دو ولتاژ ورودی تولید می‌کند. بهره تقویت کننده دیفرانسیلی با نسبت مقاومت فیدبک به هر یک از مقاومت های ورودی تعیین می شود. تقویت کننده دیفرانسیل را می توان برای تفریق سیگنال، رد حالت مشترک و غیره استفاده کرد.
If (R1 = R3) and (Rf = Rg)
VOUT= Rf / R1 × (V2 - V1)
مدار انتگرالگیر
مدار انتگرال گیر یک مدار عملیاتی است که ولتاژ خروجی متناسب با انتگرال ولتاژ ورودی در طول زمان تولید می‌کند. تقویت کننده انتگرال گیر به جای مقاومت از خازن به عنوان مولفه بازخورد استفاده می‌کند. تقویت کننده انتگرال گیر می‌تواند برای انتگرال گیری از سیگنال ورودی، تولید شکل موج و غیره استفاده شود.
مدار مشتق گیر
مدار مشتق گیر یک مدار آپ امپی است که ولتاژ خروجی متناسب با مشتق ولتاژ ورودی در طول زمان تولید می‌کند. تقویت کننده مشتق گیر از یک خازن به عنوان جزء ورودی به جای مقاومت استفاده می‌کند. تقویت کننده مشتق گیر را می توان برای تمایز سیگنال، تشخیص لبه و غیره استفاده کرد.
مدارهای کاربردی آپ امپ
تقویت کننده‌های عملیاتی در طیف گسترده ای از کاربردها در الکترونیک استفاده می‌شوند. برخی از کاربردهای آپ امپ عبارتند از:
مبدل جریان به ولتاژ
مبدل جریان به ولتاژ یک مدار آپ امپی است که یک ولتاژ خروجی، متناسب با جریان ورودی تولید می‌کند. مبدل جریان به ولتاژ از یک پیکربندی معکوس با یک مقاومت فیدبک استفاده می‌کند. مبدل جریان به ولتاژ را می توان برای قرائت جریان، تقویت سیگنال گیرنده مادون قرمز و غیره استفاده کرد.
یکسو کننده فعال
یکسو کننده فعال یک مدار آپ امپی است که بدون توجه به قطبیت ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی‌ای تولید می کند که همیشه مثبت است. یکسو کننده فعال از یک دیود و یک حلقه بازخورد برای جلوگیری از منفی شدن خروجی استفاده می کند. یکسو کننده فعال را می‌توان برای تنظیم منبع تغذیه، تشخیص پیک ولتاژ و غیره استفاده کرد.
فیلتر اکتیو
فیلتر اکتیو یک مدار آپ امپی است که فرکانس های خاصی از سیگنال ورودی را عبور داده یا تضعیف می کند و فرکانس های دیگر را رد یا تقویت می‌کند. این فیلتر از ترکیب‌های مختلفی از مقاومت‌ها، خازن‌ها و سلف‌ها در شبکه بازخورد برای ایجاد پاسخ‌های فرکانسی مختلف استفاده می‌کند. فیلتر اکتیو را می‌توان برای کاهش نویز، تنظیم سیگنال، تجزیه و تحلیل فرکانس و غیره استفاده کرد.
مقایسه کننده ولتاژ
مقایسه کننده ولتاژ یک مدار آپ امپی است که یک ولتاژ خروجی تولید می کند و نشان می دهد ولتاژ ورودی از ولتاژ مرجع بیشتر است یا کمتر. مقایسه کننده ولتاژ از یک پیکربندی حلقه باز بدون بازخورد استفاده می کند. مقایسه کننده ولتاژ را می توان برای تشخیص ولتاژ آستانه، سوئیچینگ منطقی، تبدیل مقادیر آنالوگ به دیجیتال و غیره استفاده کرد.
انواع آپ امپ از نظر نوع تغذیه
آپ آمپ ها را می توان بر اساس محدوده ولتاژ ورودی و خروجی به انواع مختلفی طبقه بندی کرد:
آپ امپ دو تغذیه‌ای
آپ امپ دو منبع تغذیه‌ای، آپ امپ هایی هستند که به دو ولتاژ منبع تغذیه نیاز دارند: یک ولتاژ مثبت (+Vcc) و یک ولتاژ منفی (-Vee). ولتاژ خروجی یک آپ امپ منبع تغذیه دوگانه می‌تواند بین این دو ولتاژ تغذیه نوسان کند، اما نه فراتر از آنها. به عنوان مثال، اگر یک آپ امپ دو منبع تغذیه دارای منبع تغذیه 15+ و 15 ولت باشد، ولتاژ خروجی آن می تواند از 15- تا 15+ ولت متغیر باشد. آپ امپ‌های دو منبع تغذیه رایج ترین نوع آپ امپ هستند. و برای کاربردهایی که نیاز به نوسانات متقارن خروجی در اطراف صفر ولت را دارند مناسب هستند.
آپ امپ تک تغذیه‌ای
آپ امپ های تک منبعی، آپ امپ هایی هستند که تنها به یک ولتاژ منبع تغذیه نیاز دارند: یک ولتاژ مثبت (+Vcc). ولتاژ خروجی یک آپ امپ منبع تغذیه می تواند بین صفر ولت و ولتاژ تغذیه مثبت نوسان کند، اما نه زیر صفر ولت. به عنوان مثال، اگر یک منبع تغذیه اپ امپ دارای یک منبع تغذیه +5 ولت باشد، ولتاژ خروجی آن می تواند از 0 ولت تا +5 ولت متغیر باشد. کاربرد آپ امپ های تک منبعی در مداراتی که نیاز به مصرف برق کم و نوسانات خروجی مثبت دارند، فراوان است.
با این حال، آپ امپ های تک منبع تغذیه در هنگام کنترل سیگنال‌های ورودی نزدیک سطح زمین یا نزدیک به ریل منبع منفی تغذیه (صفر ولت)، محدودیت‌هایی دارند. یک آپ امپ تک منبعی باید یک محدوده ورودی مشخص داشته باشد که شامل بازه ای نزدیک و بزرگتر از ریل منفی منبع تغذیه است. در غیر این صورت، سیگنال ورودی ممکن است در محدوده خطی آپ امپ نباشد و سیگنال خروجی نتواند سیگنال ورودی را به دقت دنبال کند.
آپ امپ ریل به ریل
آپ امپ های ریل به ریل آپ امپ هایی هستند که می توانند با یک یا دو ولتاژ منبع تغذیه کار کنند و محدوده ولتاژ خروجی آنها تا ریل های منبع تغذیه امتداد می یابد. این بدان معنی است که ولتاژ خروجی یک آپ امپ ریل به ریل می تواند از صفر ولت به ولتاژ تغذیه مثبت (در حالت تغذیه تکی) یا از ولتاژ تغذیه منفی به ولتاژ تغذیه مثبت (در حالت تغذیه دوگانه) تغییر کند. با حداقل از دست دادن فضای سر به عنوان مثال، اگر آپ امپ ریل به ریل دارای منبع تغذیه 5+ و 5- ولت باشد، ولتاژ خروجی آن می تواند از 5- تا 5+ ولت باشد.
آپ امپ ریل به ریل برای کاربردهایی که به حداکثر دامنه دینامیکی و نسبت سیگنال به نویز نیاز دارند مناسب هستند. با این حال، آمپلی فایر ریل به ریل ممکن است اعوجاج، نویز و ولتاژ آفست بالاتری نسبت به انواع دیگر آپ امپ داشته باشد، به خصوص در نزدیکی ریل تغذیه. همچنین ممکن است امپدانس ورودی کمتر و جریان بایاس ورودی بالاتری نسبت به انواع دیگر آپ امپ داشته باشند که می تواند بر سیگنال ورودی و شبکه بازخورد تأثیر بگذارد. همچنین ممکن است جریان خروجی و Rate slew کمتری نسبت به انواع دیگر آپ امپ داشته باشند که می تواند قابلیت درایو خروجی و پهنای باند را محدود کند.
خصوصیات آپ امپ
آپ امپ دارای مشخصات گوناگونی هستند که عملکرد و رفتار آنها را در مدارها و شرایط مختلف توصیف می‌کند. برخی از مهمترین ویژگی ها عبارتند از:
بهره یا گِین
بهره یک آپ امپ نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی است. بهره حلقه باز یک آپ امپ بهره‌ای است بدون هیچ گونه مولفه بازخورد خارجی. بهره حلقه بسته یک آپ امپ بهره با اجزای بازخورد خارجی است. بهره حلقه بسته معمولاً بسیار کمتر از بهره حلقه باز است، اما پایدارتر و قابل پیش‌بینی‌تر است. بهره یک آپ امپ ممکن است با فرکانس، دما، ولتاژ منبع تغذیه و غیره تغییر کند.
پهنای باند
پهنای باند آپ امپ محدوده فرکانسی است که آپ امپ می‌تواند با بهره ثابت در آن بازه فرکانسی کار کند. پهنای باند یک آپ امپ با بهره آن نسبت معکوس دارد، طبق رابطه‌ای که به عنوان گین - پهنای باند (GBW) شناخته می شود، GBW برای یک آپ امپ معین یک مقدار ثابت است. به عنوان مثال، اگر یک آپ امپ دارایGBW 1مگاهرتز باشد، می تواند بهره 100 در 10 کیلوهرتز یا بهره 10 در 100 کیلوهرتز داشته باشد.
امپدانس ورودی
امپدانس ورودی یک آپ امپ، مقاومتی است که سیگنال ورودی در پایانه های ورودی آپ امپ، مشاهده می‌کند. امپدانس ورودی یک آپ امپ معمولاً بسیار زیاد است (به ترتیب مگا اهم یا گیگا اهم) به این معنی که جریان بسیار کمی از منبع ورودی می‌گیرد. این مقاومت بالا اثر بارگذاری روی سیگنال ورودی را به حداقل می‌رساند و دامنه و کیفیت آن را حفظ می‌کند.
امپدانس خروجی
امپدانس خروجی یک آپ امپ از اندازه گیری میزان تغییر ولتاژ خروجی هنگام تغییر جریان خروجی بدست می‌آید. در حالت ایده آل، امپدانس خروجی یک آپ امپ باید صفر باشد، به این معنی که ولتاژ خروجی مستقل از جریان خروجی است و هیچ اثر بارگذاری رخ نمی‌دهد. با این حال، در واقعیت، امپدانس خروجی یک آپ امپ صفر نیست، بلکه بسیار پایین است. امپدانس خروجی یک آپ امپ را می توان با اعمال یک تغییر کوچک در مقاومت بار و اندازه گیری تغییر در ولتاژ خروجی محاسبه کرد. از طرف دیگر، امپدانس خروجی را می توان از دیتاشیت آپ امپ بدست آورد.
سخن پایانی
آپ امپ ها دستگاه های همه کاره‌ای هستند که بسته به پیکربندی و اجزای بازخورد می‌توانند عملکردهای آنالوگ مختلفی را انجام دهند. آپ امپ دارای ویژگی های مختلفی هستند که عملکرد و رفتار آنها را در مدارها و شرایط مختلف توصیف می‌کند.
آپ امپ ها را می توان بر اساس محدوده ولتاژ ورودی و خروجی به انواع مختلفی طبقه بندی کرد: منبع تغذیه دوگانه، منبع تغذیه تک و ریل به ریل.
انواع آی سی های تقویت کننده در طیف گسترده‌ای از کاربردها در الکترونیک مانند دنبال کننده های ولتاژ، مدارهای وارونگیر، مبدل‌های جریان به ولتاژ، یکسو کننده‌های فعال، یکپارچه سازها، فیلترها و مقایسه کننده‌های ولتاژ استفاده می‌شوند. از جمله دلایل استفاده فراوان از انواع آی سی های تقویت کننده، می‌توان به قیمت مناسب و سهولت در طراحی اشاره کرد.
نظرات کاربران