تقویت کننده عملیاتی یا آپ امپ (OP AMP) به زبان ساده و کاربردهای آن

00:00 1401/02/18

تقویت کننده عملیاتی یا آپ امپ چیست؟

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. 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:

تقویت کننده عملیاتی

همان طور که در تصویر فوق می‌بینید، از دیگر اجزای تشکیل دهنده این تقویت کننده مقاومت خروجی بسیار کوچک (حدود چند اهم) و مقاومت ورودی بسیار بزرگ (بیش از چند صد کیلو اهم) آن را می‌توان نام برد. از آنجایی که تقویت کننده عملیاتی به عنوان یک عنصر افزوده در مدار به کار گرفته می‌شود، برای تأمین انرژی مصرفی و بایاس ترانزیستورهای خود نیز به تغذیه DC نیاز دارد.

به طور کلی خروجی آپ امپ از حاصل ضرب تفاضل ولتاژ ورودی غیر معکوس کننده و ولتاژ ورودی معکوس کننده در پلاریته آپ امپ به دست می‌آید. به عبارت بهتر، اپ امپ‌ها مقدار ولتاژ منفی ورودی را از مقدار ولتاژ ورودی مثبت کسر کرده و حاصل را تقویت می‌کنند که به همین دلیل است که به آن‌ها تقویت کننده تفاضلی نیز گفته می‌شود.

از کاربردهای مهم این تقویت کننده در مدارهای الکترونیکی می‌توان به عنوان تقویت سیگنال‌های AC و DC، فیلترها، اسیلاتورها، تنظیم کننده‌های ولتاژ، مقایسه کننده‌ها و دیگر دستگاه‌های تجاری و صنعتی را نام برد. از سوی دیگر، این تقویت کننده‌های عملیاتی به تغییرات دمایی و تنوع ساخت وابسته نبوده و به همین جهت برای مدارات الکترونیکی قطعه‌ای مناسب به شمار می‌آیند.

تقویت کننده‌های 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 ۴ اپ امپ در آن به کار گرفته شده است. کاربرد آن برای مقایسه ولتاژهای ناشی از حسگرها است.

·       ULN2803: از ویژگی‌های این آی‌سی می‌توان به برخورداری از یک میانگیر NOT، پایه ۹ تغذیه منفی و پایه ۱۸ تغذیه مثبت اشاره کرد. همچنین جریان خروجی در این تقویت کننده حدود ۵۰۰ میلی‌آمپر است. کاربرد آن بیشتر برای درایو کردن موتور پله‌ای و در پروژه‌های ربات مسیریاب است.

·       LM358N: این آی‌سی، دو تقویت کننده دارد که هر کدام مقدار مصرف پایین و بهره بالایی دارند.

·       TL022CP: این اپ امپ‌ها تقویت کننده کم‌ صرف با امپدانس ورودی بالا و جریان تغذیه کم دارند.

انواع تقویت کننده عملیاتی

آپ امپ‌ها بسته به اینکه در مدار فیدبک یا بایاس به کار گرفته شوند  به نوع مدار فیدبک  و آرایش المان های جانبی به انواع مختلف تقسیم بندی می‌شوند. به عبارت دیگر، تقویت کننده عملیاتی در حضور ترکیب با قطعات الکترونیکی دیگر می‌تواند کاربردهای فراوانی در مدارها برای مقایسه کردن ولتاژ، معکوس و غیر معکوس کردن سیگنال، بافر کردن ، جمع کردن، تقویت کننده دیفرانسیلی یا تفاضلی، انتگرال گیری، مشتق گیری، یکسو سازی سیگنال‌ها، عملیات  گیت اشمیت تریگر و ده‌ها عملیات دیگر داشته باشد. در ادامه کاربردهای تقویت کننده یا اپ امپ را متناسب با انواع مختلف آن‌ها شرح می‌دهیم.

کاربردهای تقویت‌کنندگی با آپ امپ

تقویت کننده غیر معکوس کننده

همان طور که اشاره شد، در این تقویت کننده ولتاژ ورودی به پایه مثبت اعمال می‌شود و از همین رو هم آپ امپ غیر معکوس کننده نام دارد. پایه منفی در این تقویت کننده به شبکه فیدبک اتصال داده می‌شود تا در خروجی فیدبک منفی به دست دهد. 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:

 آپ امپ چیست

ولتاژ خروجی در این مدار از رابطه زیر به دست می‌آید:

انواع تقویت‌کننده عملیاتی

معکوس کننده

در این مدار ولتاژ ورودی از طریق مقاومت R1 به پایه منفی وصل می‌شود و پایانه‌ی خروجی و مقاومت RF شبکه فیدبک را به پایه منفی وصل می‌کنند. از طرفی، حلقه فیدبک نیز به ورودی منفی آپ امپ وصل شده است تا فیدبک منفی رخ دهد؛ چرا که برای کنترل خروجی و بهره ولتاژ، فیدبک باید منفی باشد. پایه مثبت هم در این مدار به زمین وصل می‌شود. ولتاژ خروجی در این حالت از ضرب حاصل تقسیم مقاومت RF به RIN در یک عدد منفی به دست می‌آید. مدار تقویت کننده آن به شکل زیر است:

اپ امپ چیست

ولتاژ خروجی در این مدار برابر است با:

تقویت‌کننده عملیاتی ایده‌آل

ساخت بافر

بافر به تقویت کننده‌ای با بهره ولتاژ برابر با ۱ و بهره جریان بالا گفته می‌شود. بافرها دو نوع مثبت و منفی دارند. در بافر منفی مدار مربوطه تقویت کننده با بهره -1 و بهره جریان بسیار بالا دارد و در بافر مثبت نیز بهره ولتاژ مدار ۱ بوده و بهره جریان آن بسیار بالا است.

شکل زیر یک بافر منفی با مقدار مقاومت‌های برابر را نشان می‌دهد:

کاربردهای تقویت‌کنندگی با آپ امپ

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.

opamp

ساخت جمع کننده

تقویت کننده‌های دارای بهره منفی یا مثبت را می‌توان با افزودن چند مقاومت به ورودی مدار به مدار جمع کننده تبدیل کرد. همچنین با تعویض پایه‌های مثبت و منفی بهره مدار مثبت می‌شود. در شکل زیر یک مدار جمع کننده با ۳ ورودی را مشاهده می‌کنید:

 

آپ امپ

خروجی ولتاژ در این مدار از رابطه زیر به دست می‌آید:

انواع تقویت‌کننده عملیاتی

تقویت کننده تفاضلی

در این تقویت کننده خروجی مدار به صورت حاصل تفاضل دو ترمینال ورودی با بهره معینی است. و به طور معمول مقدار متوسط ترمینال‌های ورودی نیز تقویت شده و به صورت یک مؤلفه ناخواسته در خروجی ظاهر می‌شود. از سوی دیگر، در تقویت کننده‌های تفاضلی ایده‌آل این مؤلفه در خروجی صفر می‌شود. در شکل زیر یک نمونه از مدار تقویت کننده تفاضلی را می‌بینید:

تقویت کننده عملیاتی opamp

ولتاژ خروجی در این مدار از رابطه زیر به دست می‌آید:

چند مدل تقویت‌کننده عملیاتی پرکاربرد

مدار انتگرال گیر

این مدار، برای تبدیل کردن شکل موج مربعی را به شکل موج دندان اره‌ای به کار گرفته می‌شود. در واقع، هنگامی که لبه بالارونده پالس به در 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. در شکل زیر مدار انتگرال گیر و شکل موج ورودی و خروجی آن نشان داده شده است:

مدار مشتق گیر

این مدارها دقیقا معکوس مدار انتگرال گیر بوده و از شکل موج ورودی مشتق می‌گیرند. برای مثال، اگر بخواهیم ولتاژی 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.

مدارآپ امپ مشتق گیر

اشمیت تریگر

در مدار اشمیت تریگر از فیدبک مثبت به کار گرفته می‌شود. این مدار از خروجی یک نمونه می‌گیرد و آن را به ورودی باز می‌گرداند و در نهایت منجر به تقویت خروجی می‌شود. ویژگی تقویت‌کنندگی در این مدار باعث می‌شود تا مقایسه کننده توانایی تصمیم گیری برای تعیین و باقی ماندن روی یک حالت خروجی را داشته باشد. شکل زیر کاربرد  یک مدار تقویت کننده برای ساخت اشمیت تریگر را نشان می‌دهد:

مدار اپ امپ اشمیت تریگر

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 سر  ورودی مثبت آپ‌ امپ وصل می‌شود و خروجی نیز از طریق دیود با فیدبک منفی به سر پایه منفی آپ امپ وصل است. حال اگر ورودی دارای ولتاژ منفی باشد، دیود خاموش بوده و بازخورد 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.

تقویت‌کننده عملیاتی ایده‌آل

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 با هم داشته باشد. با این حال، در فرکانس‌های کم، مدل ایده‌آل به مدل واقعی بسیار نزدیک می‌شود. از سوی دیگر، تقویت کننده‌های 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. تقویت کننده ایده‌آل مطابق شکل زیر نشان داده می‌شود:

اپ امپ

 

 

نظرات کاربران
هیچ نظری برای این مطلب ثبت نشده است.