آپ امپ ها یا تقویت کننده های عملیاتی – مدارات و کاربرد ها

آپ امپ ها یا همان تقویت‌کننده‌های عملیاتی ، تقویت‌کننده‌های تفاضلی با عملکرد بسیار خوب به‌صورت مدار مجتمع هستند که می‌توانند در بسیاری از کاربردها مورداستفاده قرار گیرند. یک آپ امپ معمولی یک ورودی نا وارونگر (+) ، یک ورودی وارونگر (-) ، دوپایه توان  DC، یک‌پایه خروجی و تعدادی پایه دیگر برای میزان‌سازی دقیق ( عملکرد آپ امپ ) دارد. در تصویر زیر شما می‌توانید تصویر رایج یک تقویت‌کننده عملیاتی را مشاهده کنید.

اساس عملکرد اپ اَمپ ساده است. اگر ولتاژ اعمال‌شده به پایه ورودی وارونگر بزرگ‌تر از ولتاژ اعمالی به پایه ورودی نا وارونگر باشد، آنگاه خروجی به ولتاژ منبع منفی اشباع می‌شود. به‌علاوه اگر ولتاژ اعمالی به ورودی نا وارونگر بزرگ‌تر از ولتاژ اعمالی به ورودی وارونگر باشد، آنگاه خروجی به ولتاژ منبع مثبت اشباع می‌شود.

در این حالت عملکرد محدود است و به ما ایده کامل پشتوانه عملکرد آپ امپ را نمی‌دهد. رمز پرکاربردتر کردن یک آپ امپ، فراهم کردن یک فید بَک منفی از خروجی به ورودی وارونگر است. در شکل زیر ما یک تقویت‌کننده عملیاتی با فیدبک منفی را می‌بینیم که به‌عنوان یک تقویت‌کننده وارونگر عمل می‌کند. در این وضعیت بخشی از ولتاژ خروجی به ورودی وارونگر برمی‌گردد و بنابراین بهره آپ امپ می‌تواند کنترل شود و در این حالت خروجی اشباع نیست.

بهره چنین تقویت‌کننده‌ای به‌وسیله دو مقاومت Rf و Rin کنترل می‌شود. علامت منفی به این معنا است که خروجی نسبت به ورودی معکوس است.

با اضافه کردن اجزا بیشتری در حلقه فیدبَک، مدارهای آپ امپ مختلفی مانند مدارهای رگولاتور ولتاژ، مبدل‌های جریان به ولتاژ، اسیلاتورها، فیلترها و غیره می‌توانند ساخته شوند.

علاوه بر فیدبک منفی، فیدبک مثبت نیز قابل‌استفاده است، از این روش آپ امپ به سمت اشباع رانده می‌شود و در محدوده ولتاژ خروجی Vs- یا Vs+ کار می‌کند. کاربردهای فیدبک مثبت در مدارهای مقایسه کننده و اسیلاتورها است.

تئوری عملکرد آپ امپ ها

فرمول اساسی که ولتاژ خروجی را در رابطه با ولتاژ ورودی می‌دهد، در زیر آمده است. این فرمول بیان می‌کند که ولتاژ خروجی تابعی از تفاضل ولتاژهای ورودی و بهره حلقه باز A0 است.

این عبارت برای آپ امپ ایدآل است و برای آپ امپ های واقعی می‌تواند پیچیده‌تر شود. چند قانون برای فهمیدن بهتر آپ امپ های واقعی و ایدآل به کار برده می‌شود.

قانون 1: برای آپ امپ ایدآل، بهره حلقه باز بی نهایت است اما برای آپ امپ واقعی در حدود بی نهایت است.

قانون 2: برای آپ امپ ایدآل، آمپدانس ورودی بی نهایت است اما برای آپ امپ های واقعی آمپدانس ورودی در حدود اهم است. آمپدانس خروجی برای آپ امپ ایدآل صفر است اما برای آپ امپ های واقعی در حدود 10 تا 1000 اهم است.

قانون 3: پایه‌های ورودی یک آپ امپ ایدآل هیچ جریانی نمی‌کشند و معمولاً همین روند برای آپ امپ واقعی رخ می‌دهد یعنی جریان ورودی بسیار کم است.

قانون 4: این قانون برای آپ امپ هایی با فیدبک منفی به کاربرده می‌شود و به ما می‌گوید که وقتی اختلاف ولتاژی بین ورودی نا وارونگر و وارونگر وجود دارد، خروجی در آن جهت افزایش می‌یابد به طوری که ولتاژ فیدبک (بازگردانده شده) این اختلاف را صفر نگه دارد.

کاربرد آپ امپ – فیدبک منفی

 تقویت کننده با بهره واحد – بافر با آپ امپ

 

در این پیکربندی خروجی به ورودی وارونگر متصل شده است و بر طبق قانون 4، خروجی سعی می‌کند تا اختلاف ورودی وارونگر و ورودی ناوارونگر را صفر نگه دارد. در این مدار خروجی همیشه با ورودی برابر خواهد بود. بنابراین بهره این تقویت کننده یک است. این مدا تا زمانی که آمپدانس ورودی آپ امپ زیاد و امپدانس خروجی آن کم است، مفید است بنابراین به عنوان بافری بین ورودی و خروجی عمل می‌کند. در مدار کاربردی ممکن است یک مقاومت در حلقه فیدبَک برای کم کردن خطای آفست مربوط به جریان‌های بایاس ورودی، استفاده شود.

تقویت کننده وارونگر با آپ امپ

این شکل یک تقویت کننده وارونگر معمولی است. همانطور که در فیدبک منفی داشتیم، خروجی تلاش می‌کند تا ولتاژ دو ورودی را مساوی نگه دارد. همانطور که ولتاژ در ورودی ناوارونگر صفر است ولتاژ در ورودی وارونگر نیز، صفر خواهد بود. با حل کردن قانون‌های کیرشهف در گره، ما به دست می‌آوریم که بهره برای این تقویت کننده برابر است با:

علامت منفی بیان می‌کند که خروجی معکوس ورودی است.

تقویت کننده ناوارونگر

در این شکل آپ امپ شبیه یک تقویت کننده ناوارونگر عمل می‌کند. ولتاژ خروجی زیاد خواهد شد تا اختلاف ولتاژ در ورودی را صفر نگه دارد. رابطه بهره این تقویت کننده بدین صورت است:

توجه کنید که ولتاژ خروجی با ولتاژ ورودی هم فاز است.

تقویت کننده جمع کننده با آپ امپ

در این شکل، ولتاژ خروجی با مجموع بخشی از ولتاژهای ورودی برابر است. چون که ورودی ناوارونگر زمین شده است ولتاژ ورودی وارونگر نیز صفر خواهد بود و بنابراین حل جریان گره‌ها و به کار بستن قانون کیرشهف ما را به عبارتی برای ولتاژ خروجی می‌رساند که به صورت زیر است:

اگر تمام مقاومت‌ها برابر باشند، رابطه بدین صورت می‌شود:

که بدین معناست که خروجی با مجموع ولتاژهای ورودی برابر است، اما این هم معکوس است. برای به دست آوردن مجموع مثبت ولتاژهای ورودی، ما به اضافه کردن تقویت کننده وارونگر دیگری بعد از تقویت کننده جمع کننده نیازداریم.

تقویت کننده تفاضلی

در این شکل ولتاژ خروجی با تفاضل ولتاژهای ورودی برابر است. تصور کنید که هیچ جریانی به ورودی‌ها وارد نمی‌شود، ما ولتاژ در ورودی ناوارونگر را با استفاده از معادله تقسیم ولتاژ محاسبه می‌کنیم. سپس با به کاربستن قانون کیرشهف برای گره وارونگر و فرض این که ولتاژها در ورودی‌ها یکسان هستند، به معادله‌ای برای خروجی می‌رسیم:

اگر مقاومت‌ها برابر باشد، این معادله تبدیل می‌شود به:

انتگرال گیر

در این شکل مدار آپ امپ انتگرال گیر نامیده می‌شود، یعنی در خروجی، انتگرال سیگنال ورودی گرفته می‌شود. رابطه بین خروجی و ورودی به صورت زیر است:

در کاربردهای دنیای واقعی، یک مقاومت بزرگ می‌تواند به موازات خازن قرار بگیرد تا بایاس پایداری را فراهم کند. همچنین ممکن است که یک مقاومت جبران ساز بین ورودی ناوارونگر و زمین برای تصحیح کردن خطاهای آفست ولتاژ، نیاز باشد.

مشتق گیر

در این شکل آپ امپ مانند یک مشتق گیر عمل می‌کند، رابطه بین خروجی و ورودی بدین صورت است:

برای پایدارتر کردن این مدار، خازنی به موازات مقاومت اضافه می‌شود و مقاومتی باید به طور سری با خازن اضافه شود، بنابراین نویز فرکانس بالا کاهش می‌یابد و ولتاژ آفست بایاس ورودی حذف می‌شود.

کاربرد آپ امپ – فیدبک مثبت

فیدبک مثبت به معنی این است که بخشی از سیگنال خروجی به ورودی ناوارونگر بازمی گردد. این کار آپ امپ را به اشباع می‌برد و بنابراین خروجی ولتاژ منبع مثبت یا ولتاژ منبع منفی را خواهد داشت. فیدبک مثبت می‌تواند برای ساختن مدارهای مقایسه کننده، استفاده شود و به وسیله تنظیم کردن مقاومت فیدبک، ما می‌توانیم هیسترسیس مقایسه کننده را تنظیم کنیم. اصطلاح هیسترسیس بدین معناست که مقایسه کننده دو ولتاژ آستانه دارد، که در یکی خروجی به یک جهت تغییر می‌کند و در ولتاژ آستانه دیگر خروجی به سمت دیگر تغییر می‌کند.

بدین ترتیب خروجی از نوسان خیلی سریع بین ولتاژ خروجی مثبت و ولتاژ منفی بازداشته می‌شود و بنابراین آن را در برابر نویز ورودی بسیار محفوظ داشته است. بیایید یک مدار مقایسه کننده را ببینیم:

فرض کنید در این مدار، خروجی در اشباع مثبت است و ورودی صفر است. در این وضعیت یک ولتاژ مثبت بر روی ورودی ناوارونگر ظاهر می‌شود. اگر ولتاژ در ورودی مثبت شود و ولتاژ مثبت از ولتاژ آستانه تجاوز کند، خروجی به ولتاژخروجی منفی تغییر می‌کند. اکنون ولتاژ منفی در خروجی ناوارونگر ظاهر می‌شود و اگر ولتاژ خروجی برابر یا بزرگتراز ولتاژ آستانه منفی شود، خروجی به ولتاژ خروجی مثبت تغییر می‌کند. دو ولتاژ آستانه با تساوی‌های زیر تنظیم می‌شوند:

اختلاف بین دو ولتاژ آستانه، ولتاژ هیسترسیس است.

منبع : الکترونیک‌لب

دوست عزیز شما میتوانید از بین آموزش طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ ، آموزش میکروکنترلرهای LPC1768  ،  آموزش میکروکنترلرهای PIC  ،  آموزش Altium Designer  ،  مفاهیم پایه الکترونیک  ،  پروژه های آردوینو  ،  آموزش رزبری پای  ،  آموزش آردوینو  ،  اینترنت اشیاءدرس دلخواه را انتخاب و رایگان یادبگیرید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.