تقویت کننده تفاضلی یا دیفرانسیلی، نوعی تقویت کننده الکترونیکی است که تفاوت بین دو ولتاژ ورودی را تقویت میکند اما هر ولتاژی را که در دو ورودی مشترک باشد سرکوب مینماید. تقویت کننده تفاضلی یک مدار آنالوگ با دو ورودی و یک خروجی است که در حالت ایدهآل خروجی متناسب با اختلاف بین دو ولتاژ ورودی است. به عنوان مثال، اگر ولتاژهای ورودی 3 ولت و 2 ولت باشد، ولتاژ خروجی برابر با 1 ولت ضربدر بهره تقویت کننده خواهد بود.
تقویت کننده تفاضلی را میتوان با افزودن مقاومت های فیدبک مناسب به یک آپ امپ استاندارد یا با یک آیسی اختصاصی حاوی مقاومت های بازخورد داخلی پیاده سازی کرد. همچنین می توان آن را با یک مدار دو ترانزیستوری به نام جفت دم بلند یا جفت دیفرانسیلی (Long Tail Pair) ساخت. این مدار در ابتدا با استفاده از یک جفت لامپ خلاء پیادهسازی شد.
دلایل برتری ساخت تقویت کننده تفاضلی با استفاده از آپ امپ
برخی از دلایل برتری تقویت کننده دیفرانسیل با استفاده از آپ امپ عبارتند از:
- آپ امپ ها می توانند تفاضل بین دو ولتاژ ورودی را تقویت کنند و قسمت مشترک ولتاژ دو ورودی را حذف کنند. این کار باعث حذف نویز و کاهش تداخل میگردد.
- آپ امپ دارای یک مشخصه خطی و یک بهره قابل پیش بینی و پایدار است که میتواند توسط مقاومتهای خارجی کنترل شود. این خصوصیت باعث میشود که برای عملیات های مختلف ریاضی و پردازش همه نوع سیگنال قابل استفاده باشد.
- آپ امپ دارای امپدانس ورودی بالا و امپدانس خروجی کم است، به این معنی که میتواند با منابع و بارهای مختلف بدون اثرات بارگذاری یا از دست دادن سیگنال ارتباط برقرار کند.
- آپ امپ بسته به طراحی میتواند با منبع تغذیه تک یا دوگانه کار کند. این خصوصیت باعث میشود برای برنامه های کاربردی مختلف و نیازهای تغذیه مختلف، انعطاف پذیر باشد.
- قیمت آپ امپ بسیار مناسب است، هر چند قیمت یک آپ امپ میتواند بسیار زیاد باشد، اما با توجه به تنوع بالا در بازار میتوان آپ امپ مورد نیاز خود را با قیمت مناسبی از بین نمونه های موجود انتخاب کرد.
اساس تقویت کننده عملیاتی
تقویت کننده عملیاتی یا op-amp المانی است که می تواند سیگنالهای الکتریکی ضعیف را تقویت کند. این المان دارای دو پایه ورودی است که یکی ورودی غیر معکوس کننده (با علامت + مشخص شده) و دیگری ورودی معکوس کننده (با علامت - مشخص شده) نامیده میشود. همچنین دارای یک پایه خروجی است که ولتاژی متناسب با اختلاف بین دو ولتاژ ورودی را تولید می کند.
اصل اساسی یک op-amp استفاده از بازخورد منفی است، به این معنی که بخشی از سیگنال خروجی به ورودی معکوس کننده اتصال مییابد. به این ترتیب، op-amp میتواند ویژگیهای مانند بهره، امپدانس ورودی و خروجی، پهنای باند، نویز و غیره را کنترل کند.
برخی از ویژگی های مهم یک op-amp عبارتند از:
امپدانس ورودی بالا: Op-amp جریان بسیار کمی از منابع ورودی میگیرد، بنابراین اثرات بارگذاری روی سیگنال ورودی ندارد.
امپدانس خروجی کم: op-amp میتواند طیف وسیعی از بارها را بدون از دست دادن مقدار ولتاژ زیادی در خروجی خود، تامین کند.
بهره حلقه باز بالا: آپ امپ می تواند تفاوت بسیار کم بین ولتاژهای ورودی (در حد میکرو ولت) را بدون داشتن حلقه فیدبک در حدود یک میلیون بار تقویت کند.
تقویت کننده تفاضلی با استفاده از آپ امپ
یک تقویت کننده تفاضلی آپ امپی را میتوان با بهره دلخواه و به صورت پایدار با استفاده از انواع آپ امپ پیاده سازی کرد. برای ساخت یک تقویت کننده تفاضلی پایدار باید از اِعمال فیدبک منفی استفاده کرد. فیدبک منفی تکنیکی است که در آن کسری از ولتاژ خروجی برای کاهش اثر ولتاژ ورودی استفاده میشود و در نتیجه بهره کلی و اعوجاج تقویت کننده را کاهش میدهد. فیدبک منفی همچنین می تواند پهنای باند، امپدانس ورودی، امپدانس خروجی و نسبت رد حالت مشترک (CMRR) تقویت کننده را بهبود بخشد.
CMRR پارامتری است که نشان میدهد تقویتکننده چقدر میتواند ولتاژهای مشترک در هر دو ورودی را خنثی کند. معمولا مشخصه CMRR بالا در تقویت کنندههای دیفرانسیل اهمیت دارد، زیرا به این معنی است که تقویت کننده میتواند نویز یا ولتاژهای بایاس را که در هر دو ورودی ظاهر میشود رد کند. پارامتر CMRR را میتوان از تقسیم نسبت بین بهره حالت دیفرانسیل به بهره حالت مشترک محاسبه کرد.
بهره حالت دیفرانسیل، برابر است با نسبت تقویت اختلاف دو سیگنال ورودی و بهره حالت مشترک برابر است با بهره مدار در حالتی که دو ورودی دارای ولتاژ یکسانی باشند. در حالت ایده آل، تقویت کننده دیفرانسیل باید بهره حالت دیفرانسیل بالا و بهره حالت مشترک کم داشته باشد. تقویت کننده تفاضلی آپ امپی را میتوان با افزودن مقاومتهای فیدبک مناسب به یک آپ امپ استاندارد پیاده سازی کرد. مقاومت های فیدبک میزان بهره و امپدانس ورودی تقویت کننده را تعیین میکنند. برای محاسبه خروجی در تقویت کننده تفاضلی آپ امپی میتوان از روابط زیر استفاده کرد:
Vout = (V1.R2/R1+R2)(1+R4/R3) - (V2.R4/R3)
هنگامی که مقاومت های R1 = R2 و R3 = R4، این عبارت به شکل زیر ساده می شود:
Vout = Ad(V1 - V2)
که در آن Ad بهره تفاضلی است که توسط فرمول زیر بدست میآید:
Ad = (R2/R1)(1+R4/R3)
اگر تمام مقاومتها از یک مقدار اهمی برخوردار باشند، مدار به تقویتکننده دیفرانسیل بهره واحد تبدیل میشود و بهره ولتاژ تقویتکننده دقیقاً یک است. سپس فرمول محاسبه ولتاژ خروجی ساده شده وبه شکل زیر در خواهد آمد:
Vout = V1 - V2
تقویت کننده تفاضلی آپ امپی کاربردهای زیادی در مدارهای آنالوگ دارد. یکی از رایج ترین کاربردها مقایسه دو ولتاژ ورودی و تولید ولتاژ خروجی است که نشان می دهد کدام یک بالاتر یا کمتر است. این مدار مقایسه کننده ولتاژ دیفرانسیلی نامیده می شود. یک مقایسه کننده ولتاژ دیفرانسیل می تواند برای تشخیص سیگنالها، اندازهگیری ولتاژ، کلیدهای کنترل و غیره استفاده شود. مثلا در تصویر زیر از این مقایسه کننده برای ساختن رله اتوماتیک روشنایی استفاده شده است.
یکی دیگر از کاربردهای رایج تقویت کننده دیفرانسیلی آپ امپی پردازش سیگنال خروجی یک سنسور است.
سنسور وسیله ای است که یک پارامتر فیزیکی (مانند دما، فشار، نور و غیره) را به سیگنال الکتریکی (مانند ولتاژ یا جریان) تبدیل می کند. بسیاری از حسگرها مقاومت هایی هستند که مقدار مقاومت آنها به یک پارامتر فیزیکی خارجی بستگی دارد. برای مثال ترمیستور مقاومتی است که مقدار مقاومت آن با دما تغییر می کند.
یک سنسور را می توان به یک تقویت کننده دیفرانسیلی آپ امپی در یک پیکربندی پل مقاومتی (که معمولاً پل وتستون نامیده می شود) متصل کرد تا ولتاژ خروجی متناسب با تغییر مقاومت سنسور تولید کند. این می تواند برای اندازه گیری پارامترهای فیزیکی، کالیبره کردن سنسورها، خطی کردن خروجی سنسور و غیره مفید باشد.
تقویت کننده ابزار دقیق (instrument amplifier)
آیسی تقویت کننده ابزار دقیق نوعی مدار مجتمع است که عمدتاً برای تقویت یک سیگنال استفاده میشود. این آیسی به خانواده تقویت کنندههای تفاضلی تعلق دارد زیرا اختلاف بین دو ورودی را تقویت میکند. وظیفه اصلی این تقویت کننده کاهش نویز اضافی است که از مدار دریافت می شود.
یک آی سی تقویت کننده ابزار دقیق سه مزیت اصلی نسبت به تقویت کننده تفاضلی ساده که با استفاده از آپ امپ طراحی میشود، دارد. اولاً، نسبت رد حالت مشترک (CMRR) بسیار بالایی دارد، به این معنی که می تواند هر ولتاژی را که در هر دو ورودی مشترک است رد کند و فقط تفاوت بین آنها را تقویت کند. این خصوصیت برای از بین بردن نویز یا تداخل از خطوط برق، دستگاه های دیگر و غیره مفید است.
مقاله پیشنهای لیون الکترونیک: آپ امپ چیست؟
دوم، امپدانس ورودی بسیار بالایی دارد، به این معنی که اثر بارگزاری بر روی سیگنال ورودی ندارد و بر عملکرد آن تأثیر نمی گذارد. این خصوصیت برای حفظ دقت و یکپارچگی سیگنال ورودی مفید است. سوم، دارای یک بهره متغیر است که می توان آن را با تغییر یک مقاومت خارجی تنظیم کرد. این خصوصیت برای تطبیق سطح سیگنال خروجی با محدوده مورد نظر بسیار کارآمد و مفید است. یک آیسی تقویت کننده ابزار دقیق میتواند برای بسیاری از کاربردها که نیاز به اندازهگیری دقیق سیگنالهای کوچک در محیطهای پر نویز دارند استفاده گردد. چند نمونه از کاربردهای آن عبارتند از:
کاربردهای زیست پزشکی:
مانند الکتروکاردیوگرافی (ECG)، الکترومیوگرافی (EMG)، الکتروانسفالوگرافی (EEG) و غیره. این کاربردها شامل اندازهگیری سیگنالهای الکتریکی ضعیف تولید شده توسط بدن انسان و تقویت آنها بدون اعوجاج یا تداخل است.
کاربردهای صنعتی:
مانند اندازهگیری دما، فشار، کرنش، نیرو و غیره. این کاربردها شامل اندازه گیری پارامترهای فیزیکی با استفاده از حسگرهایی است که آنها را به سیگنال های الکتریکی تبدیل میکنند و تقویت کننده تفاضلی آنها را بدون نویز و خطا تقویت میکند.
سیستم های جمع آوری داده:
مانند مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC)، مبدل های دیجیتال به آنالوگ (DAC)، مالتی پلکسرها و غیره که این سیستم ها عمیات تبدیل سیگنال های آنالوگ به سیگنال های دیجیتال یا بالعکس و سوئیچینگ بین کانال های مختلف سیگنال را بر عهده دارند. یک آیسی تقویت کننده ابزار دقیق در این سیستمها میتواند برای بافر، تقویت و جداسازی سیگنال ها قبل یا بعد از تبدیل یا سوئیچینگ، استفاده شود.
نتیجه
تقویت کننده تفاضلی آپ امپی مداری کاربردی است که می تواند عملیات مختلفی را روی سیگنالهای دیفرانسیلی انجام دهد، مانند تفریق، مقایسه یا تقویت. همچنین می تواند نویز یا تداخل حالت مشترک را که بر هر دو ورودی به طور یکسان تأثیر میگذارد، رد کند. با انتخاب مقادیر مقاومت مناسب میتوان بهره دیفرانسیل و بهره حالت مشترک تقویت کننده را متناسب با کاربردهای مختلف تنظیم کرد. تقویت کننده های دیفرانسیل به طور گسترده در ابزار دقیق، اندازه گیری و سیستم های صوتی که نیاز به دقت بالایی دارند استفاده می شود.
همچنین برای دریافت نتایج بهتر میتوانید از آیسی تقویت کننده ابزار دقیق استفاده کنید. تقویت کننده ابزار دقیق نوعی مدار مجتمع است که تفاوت بین دو ولتاژ ورودی را تقویت می کند و هر ولتاژ مشترک بین دو ورودی را رد می کند. این تقویت کننده دارای CMRR بالا، امپدانس ورودی بالا و بهره متغیر است. میتوان از تقویت کننده ابزار دقیق برای بسیاری از کاربردهایی که نیاز به اندازه گیری دقیق سیگنال های کوچک در محیط های پر نویز است، استفاده کرد.
نظرات کاربران