تقویت کننده عملیاتی یا آپ امپ چیست؟
تقویت کننده عملیاتی یا Operational Amplifier و به اختصار Op AMP نوعی قطعه الکترونیکی است که به عنوان یکی از عناصر فعال مدار شناخته می‌شود و در قالب تقویت کننده ولتاژ با بهره بسیار بالا به کار گرفته می‌شود.
این قطعه نوعی محاسبه‌گر آنالوگ است که به منظور اجرای عملیات ریاضی در مدارها مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مطلب ضمن پاسخ به سوال op amp چیست، انواع اپ امپ را معرفی کرده و برخی کاربردهای مهم آن را تشریح می‌کنیم.
تقویت کننده عملیاتی برای اولین بار در سال ۱۹۴۰ معرفی شده و پس از ۲۰ سال در قالب مدارات مجتمع یا IC به کار گرفته می‌شد. این تقویت کننده‌ها به مرور در حوزه مدارهای آنالوگ کاربردهای فراوانی پیدا کردند. آپ امپ‌ها معمولا دو ورودی و یک خروجی دارند که ورودی‌ها تفاضلی عمل می‌کنند. به این معنی که تقویت کننده‌ی ایسی آپ امپ اختلاف ولتاژ ورودی‌ها را تقویت می‌کند. یکی از دو ورودی تقویت کننده عملیاتی ورودی منفی یا معکوس کننده نامیده می‌شود. ورودی دیگر هم مثبت بوده و غیر معکوس کننده نام دارد. در ورودی منفی اپ امپ پلاریته تقویت کننده برای سیگنال وارد شده منفی بوده و به همین دلیل هم .ورودی معکوس کننده نام گرفته است
(خرید قطعات الکترونیکی از فروشگاه اینترنتی قطعات الکترونیک تهران ( لیون الکترونیک
با این حال، سیگنال واردشده به ورودی مثبت در خروجی هم با پلاریته مثبت ظاهر می‌شود. ساختار تقویت کننده عملیاتی متشکل از مداراتی با ترکیب پیچیده مقاومت، دیود و ترانزیستور است که در مدارهای الکترونیکی به شکل زیر نمایش داده می‌شوند:
همان طور که در شماتیک فوق ملاحظه می‌فرمایید، آپ امپ دارای مقاومت خروجی و مقاومت ورودی است. مقدار مقاومت خروجی بسیار کوچک (حدود چند اهم) و مقدار مقاومت ورودی بسیار بزرگ (در حدود مگا اهم) است. از آنجایی که تقویت کننده عملیاتی یک عنصر اکتیو در مدار است، برای تأمین انرژی مصرفی و بایاس ترانزیستورهای خود نیز به تغذیه DC نیاز دارد.
به طور کلی ولتاژ خروجی آپ امپ از حاصل تفاضل ولتاژ پایه منفی و پایه مثبت ضربدر عدد بهره آپ امپ به دست می‌آید. به عبارت دیگر، اپ امپ‌ها مقدار ولتاژ ورودی منفی را از مقدار ولتاژ ورودی مثبت کسر کرده و حاصل را تقویت می‌کنند. به همین دلیل است که به آن‌ها تقویت کننده تفاضلی نیز گفته می‌شود.
از کاربردهای مهم این تقویت کننده در مدارهای الکترونیکی می‌توان به تقویت سیگنال‌های AC و DC، فیلترها، اسیلاتورها، تنظیم کننده‌های ولتاژ، مقایسه کننده‌ها و دیگر کاربردها اشاره کرد. همچنین به علت تنوع زیاد و سهولت در استفاده و عملکرد پایدار، استفاده از این تقویت کننده‌ها روز به روز در حال افزایش است.
تقویت کننده های عملیاتی پرکاربرد
برخی از پرکاربردترین اپ امپ‌ها در حوزه مدارهای آنالوگ موارد زیر را شامل می‌شوند:
- LM324: یکی از محبوب‌ترین آی‌سی‌های قابل استفاده در مدارهای ربات مسیریاب است که دارای ۴ آپ امپ است. کاربرد آن در ربات های مسیریاب برای مقایسه ولتاژ خروجی سنسورهای تشخیص مسیر است.
- LM358N: این آی‌سی، دارای دو آپ امپ است و به علت مصرف توان کم، قیمت مناسب و بهره بالا در بین طراحان الکترونیک بسیار محبوب است.
ثبت سفارش برای واردات قطعات الکترونیک
کاربرد آپ امپ چیست؟
در پاسخ به سوال مهم کاربرد اپ امپ چیست ، باید بگوییم که آپ امپ‌ها بسته به اینکه دارای چه مدار فیدبک و بایاسی باشند، عملکردهای متفاوتی پیدا می‌کنند. به عبارت دیگر، تقویت کننده عملیاتی در ترکیب با قطعات الکترونیکی دیگر می‌تواند کاربردهای فراوانی در مدارها داشته باشند که ازمیان آن می‌توان به مقایسه‌گر ولتاژ، معکوس و غیر معکوس ساختن سیگنال، بافر کردن، جمع کردن، تقویت کننده دیفرانسیلی یا تفاضلی، انتگرال گیری، مشتق گیری، یکسو سازی سیگنال‌ها، گیت اشمیت تریگر و ده‌ها عملیات دیگر را نام برد. در ادامه کاربردهای تقویت کننده یا اپ امپ را متناسب با انواع مختلف آن‌ها شرح می‌دهیم.
تقویت کننده غیر معکوس کننده
همان طور که اشاره شد، در این تقویت کننده ولتاژ ورودی به پایه مثبت اعمال می‌شود، از همین رو نام این آرایش مداری تقویت کننده غیر معکوس کننده نام دارد. پایه منفی در این تقویت کننده به شبکه فیدبک اتصال داده می‌شود تا در خروجی فیدبک منفی ایجاد کند. نکته مهم در مورد این تقویت کننده، مساوی بودن ولتاژ پایه منفی و مثبت آن است. مدار تقویت کننده غیر معکوس کننده به شکل زیر است:
ولتاژ خروجی در این مدار از رابطه زیر به دست می‌آید:
تقویت کننده معکوس کننده
در این مدار ولتاژ ورودی از طریق مقاومت R1 به پایه ورودی منفی متصل می‌شود و پایه خروجی توسط مقاومت RF به پایه ورودی منفی وصل شده و شبکه فیدبک را تشکیل می‌دهد. از طرفی چون حلقه فیدبک به ورودی منفی آپ امپ متصل است دو باره یک فیدبک منفی تولید می‌گردد.
بیشتر بخوانید: تستر اپ امپ چیست
این آرایش باعث ایجاد یک تقویت کننده با امپدانس ورودی بسار بالا می‌گردد. پایه مثبت در این مدار به زمین وصل می‌شود. ولتاژ خروجی در این حالت از ضرب حاصل تقسیم مقاومت RF به RIN یا R1 در یک علامت منفی حاصل می‌گردد. مدار تقویت کننده معکوس کننده به شکل زیر است:
ولتاژ خروجی در این مدار برابر است با:
ساخت بافر
بافر به تقویت کننده‌ای با بهره ولتاژ برابر با یک و بهره جریان بالا گفته می‌شود. بافرها دو نوع بافر مثبت و بافر منفی دارند. بافر منفی، دارای بهره منفی یک و بهره جریان بسیار بالا است و در بافر مثبت نیز بهره ولتاژ مدار یک بوده و بهره جریان آن بسیار بالا است.
شکل زیر یک بافر منفی با مقدار مقاومت‌های برابر را نشان می‌دهد:
در شکل زیر هم بافر مثبت را می‌بینیم که امپدانس بسیار زیاد را با امپدانس کم تطبیق می‌دهد. چرا که اساسا امپدانس ورودی مدار بافر بسیار زیاد و امپدانس خروجی آن بسیار کم است.
مدار جمع کننده
تقویت کننده های عملیاتی دارای بهره منفی یا مثبت را می‌توان با افزودن چند مقاومت به ورودی به مدار جمع کننده تبدیل کرد. همچنین با جابه جایی پایه‌ی مثبت و منفی آپ امپ، نوع پلاریته مدار جمع کننده تغییر می‌کند. در شکل زیر یک مدار جمع کننده با ۳ ورودی را مشاهده می‌کنید:
خروجی ولتاژ در این مدار از رابطه زیر به دست می‌آید:
تقویت کننده تفاضلی
در این تقویت کننده خروجی مدار به صورت حاصل تفاضل دو ترمینال ورودی و دارای مقدار بهره معینی است. و به طور معمول مقدار ولتاژ متوسط فاصله ترمینال‌های ورودی از زمین نیز تقویت شده و به صورت یک مؤلفه ناخواسته درخروجی ظاهر می‌شود، در تقویت کننده تفاضلی ایده‌آل این مؤلفه خروجی صفر در نظر گرفته می‌شود. در شکل زیر یک نمونه از مدار تقویت کننده تفاضلی را می‌بینید:
ولتاژ خروجی در این مدار از رابطه زیر به دست می‌آید:
مدار انتگرال گیر
این مدار، برای تبدیل کردن شکل موج مربعی را به شکل موج دندانه اره‌ای به کار گرفته می‌شود. در واقع، هنگامی که لبه بالارونده پالس به ورودی منفی آن وصل می‌شود، ولتاژ در پایه منفی بیشتر از ولتاژ در پایه مثبت می‌شود در این شرایط آپ امپ به صورت معکوس کننده عمل می‌کند ولی به دلیل مدار فیدبک خازنی مقدار خروجی به یکباره تغییر نمی‌کند و با یک شیب افزایش می‌یابد. در شکل زیر مدار انتگرال گیر و شکل موج ورودی و خروجی آن نشان داده شده است:
بیشتر بخوانید: بررسی و معرفی انواع اپ امپ
مدار مشتق گیر
این مدارها دقیقا معکوس مدار انتگرال گیر بوده و از شکل موج ورودی مشتق می‌گیرند. برای مثال، اگر بخواهیم ولتاژی با شکل موج مثلثی را به عنوان ورودی به مدار بدهیم، خروجی آن ولتاژ مربعی خواهد بود که همان مشتق ولتاژ ورودی است. در شکل زیر شکل موج ورودی و خروجی مدار مشتق گیر رسم شده است.
اشمیت تریگر
یک مدار تقویت کننده است که از فیدبک مثبت استفاده می‌کند. در وضعیت غیر معکوس یا سیگنال ورودی مثبت، هنگامی که مقدار ورودی بیشتر از یک مقدار مشخص که به عنوان حدبالا انتخاب شده است، خروجی فعال می‌شود و هنگامی که ورودی کمتر از مقدار مشخص شده دیگری که به عنوان حد پایین انتخاب شده باشد خروجی صفر می‌شود.
هنگامی که ورودی بین این دو مقدار باشد خروجی حالت قبل خود را حفظ می کند. از مدار اشمیت تریگر در ورودی آی سی ها برای تبدیل موج سینوسی به مربعی و یا اصلاح صفر و یک‌های خراب شده به علت نویز و اعوجاج استفاده می شود.
یکسو ساز دقیق
با یک اپ امپ و دیود می‌توان نوعی یکسوساز ایده‌آل ساخت. در مدارهای یکسوساز دقیق ولتاژ ورودی از راه آپ امپ به مدار وصل می‌شود و دیگر نیازی ندارد که به طور مستقیم به دیود وصل شود. به این معنی که در مدار ورودی به پایه ورودی مثبت آپ امپ وصل می‌شود و خروجی نیز از طریق دیود با فیدبک منفی به پایه منفی آپ امپ وصل است.
حال اگر ورودی دارای ولتاژ منفی باشد، دیود خاموش بوده و فیدبک منفی برقرار نمی‌شود، در نتیجه خروجی صفر می‌شود. اگر ولتاژ ورودی مثبت باشد، دیود روشن می‌شود، در نتیجه بازخورد منفی برقرار می‌شود و در نهایت خروجی برابر با ورودی می‌شود.
تقویت کننده ایده‌آل چیست؟
یک اپ امپ ایده‌آل ویژگی‌های مانند بهره ولتاژ بی‌نهایت، مقاومت خروجی صفر، مقاومت ورودی بی‌نهایت، پهنای باند بی‌نهایت و آفست ورودی صفر (عدم اختلاف ولتاژ دو ورودی) را دارد. در واقعیت، یک تقویت کننده عملیاتی هرگز نمی‌تواند این شرایط را داشته باشد و صرفا آپ امپ ایده‌ال یک مدل برای ساده سازی در انجام محاسبات و تحلیل مدارات است.
با این حال، در فرکانس‌های کم، مدل واقعی به مدل ایده‌آل بسیار نزدیک می‌شود. از سوی دیگر، تقویت کننده های عملیاتی پیشرفته نیز بهره و مقاومت ورودی بزرگی دارند که موجب می‌شود تا چنین تحلیلی از اپ امپ ایده‌آل با فرض ایده‌آل بودن قطعات آن خیلی دور از واقعیت نباشد. خروجی تقویت کننده ایده‌آل مطابق شکل زیر نشان داده می‌شود:
مزایای استفاده از آپ امپ در رگولاتور ولتاژ
دقت بالا: آپ امپ می تواند دارای بهره بالا و افست کمی باشد، که این خصایص عملکرد مدار رگولاتور را بهبود می‌بخشد.
افت کم: آپ امپ می‌تواند ماسفت را به ناحیه اشباع آن نزدیک کند، که افت ولتاژ در آن را کاهش می‌دهد و دیفرانسیل ورودی-خروجی کم را امکان پذیر می‌کند.
خروجی قابل تنظیم: ولتاژ خروجی را می توان به راحتی با اصلاح مقدار دیود زنر فیدبک تغییر داد.
معایب استفاده از آپ امپ در رگولاتور ولتاژ
پیچیدگی: مدار به اجزای بیشتری نسبت به یک آی سی رگولاتور خطی ساده نیاز دارد.
پایداری: اگر آپ امپ یا ترانزیستور به درستی انتخاب نشود، مدار ممکن است نوسان کند یا ناپایدار شود.
اتلاف توان: اگر دیفرانسیل ورودی-خروجی یا جریان بار زیاد باشد، ترانزیستور ممکن است توان قابل توجهی را تلف کند.
سخن پایانی
در این مقاله تلاش کردیم تا به سوالات شما در خصوص کاربرد آپ امپ چیست و انواع تقویت کننده های عملیاتی پاسخ دهیم. می‌توانید سوالات و نظرات خود را در این باره به صورت کامنت با ما درمیان بگذارید تا کارشناسان تیم لیون الکترونیک، در اولین فرصت به آن ها پاسخ دهند.
نظرات کاربران