تقویتکننده عملیاتی: تفاوت میان نسخهها
خط ۱۴۴: | خط ۱۴۴: | ||
این مدار شکل موج مربعی را به شکل موج دندانه ارهای تبدیل میکند و در [[اسیلوسکوپ]] کاربرد دارد.البته در عمل باید به موازات [[خازن]] c یک [[مقاومت]] بزرگ قرار داد تا [[فیدبک]] از نقطه نظر DC برقرار باشد. |
این مدار شکل موج مربعی را به شکل موج دندانه ارهای تبدیل میکند و در [[اسیلوسکوپ]] کاربرد دارد.البته در عمل باید به موازات [[خازن]] c یک [[مقاومت]] بزرگ قرار داد تا [[فیدبک]] از نقطه نظر DC برقرار باشد. |
||
<math> V_{out} = \int_0^t - {V_{in} \over RC} \, dt + V_{ |
<math> V_{out} = \int_0^t - {V_{in} \over RC} \, dt + V_{initial} </math> |
||
{{-}} |
{{-}} |
||
== مدار [[مشتق]] گیر == |
== مدار [[مشتق]] گیر == |
||
[[پرونده:Opampdifferentiating.png|thumb|350px|چپ|انتگرال گیر]] |
[[پرونده:Opampdifferentiating.png|thumb|350px|چپ|انتگرال گیر]] |
نسخهٔ ۱۲ آوریل ۲۰۱۲، ساعت ۰۸:۳۲
ایده به کارگیری تقویت کنندههای عملیاتی یا آپ امپ (به انگلیسی: op-amp یا Operational amplifier ) اولین بار در دهه ۱۹۴۰ میلادی و در مدار کامپیوترهای آنالوگ مطرح شد . در این کاربرد با قرار دادن عناصر مختلف بین سرهای ورودی و خروجی تقوکننده عملیاتی مدارهای مختلف با کاراییهای متفاوت طراحی میشد . با گسترش دامنه کاربرد الکترونیک، استفاده از تقویت کننده عملیاتی نیز توسعه فراوان یافت . در سال ۱۹۶۰ میلادی اولین بار تقویت کننده عملیاتی به صورت مدار مجتمع طراحی و ساخته شد و با حجم، وزن و قیمت به مراتب کمتر به بازار مصرف ارائه گردید. پیشرفت فناوری و مطرح شدن نیازهای متنوع تر و تخصصی تر، زمینه را برای عرضه تقویت کنندههای عملیاتی خاص فراهم نمود . تقویت کننده عملیاتی در واقع یک تقویت کننده ولتاژ با بهره ولتاژ بسیار بالاست و معمولاً دارای یک سر خروجی و دو سر ورودی است که سرهای ورودی به صورت تفاضلی عمل میکنند . به عبارت دیگر این تقویت کننده اختلاف ولتاژ بین ورودی را تقویت میکند . یکی از دو سر، ورودی منفی (-) یا معکوس کننده نام دارد، زیرا تقویت کننده برای ورودیهای اعمال شده به این سر دارای بهره منفی خواهد بود . سر دیگر ورودی مثبت (+) یا غیر معکوس کنندهاست و سیگنالهای ورودی به این سر، در خروجی با بهره مثبت ظاهر میشوند. این تقویت کننده دارای مقاومت خروجی بسیار کوچک (حدود چند اهم) بوده و از مقاومت ورودی بسیار بزرگی (بیش از چند صد کیلو اهم) برخورداراست . چون تقویت کننده عملیاتی یک قطعه فعال است برای تامین انرژی مصرفی و بایاس ترانزیستورهای داخلی خود به تغذیه DC نیاز دارد.[۱]
پایهها
- پایههای 4 و 7، پایههای تغذیه منفی و مثبت آی سی هستند.
- پایههای 2 و 3، پایههای ورودی معکوس کننده و معکوس نکننده آی سی هستند.
- پایه 6، پایه خروجی است.
- پایههای 1 و 5، پایههای تغییر دهنده سطح DC خروجی آی سی هستند که توسط آنها می توان سطح DC خروجی را تغییر داد. این کار را می توان با قرار دادن یک پتانسیومتر بین این دو پایه انجام داد.
- پایه 8 بی استفاده است.
تقویت کننده عملیاتی ایده آل
- بهره ولتاژ بی نهایت دارد.
- مقاومت خروجی صفر دارد.
- مقاومت ورودی بی نهایت دارد.
- پهنای باند بی نهایت دارد.
- ولتاژ انحراف از میزان ورودی آن صفر است.
در حالی که هیچ یک از فرضهای فوق با خواص تقویت کننده عملیاتی واقعی مطابقت کامل ندارد، اما نتایج بدست آمده از تجزیه و تحلیل مدارهای با مدل ایده آل، در فرکانسهای پایین به نتایج واقعی بسیار نزدیک هستند .
تقویت کننده عملیاتی واقعی
در عمل، تقویت کننده عملیاتی نمی تواند دارای همه خصوصیات یاد شده در مورد حالت ایده آل آن باشد. چرا که تقویت کننده عملیاتی، خود از به هم پیوستن چند طبقه تقویت کننده ترانزیستوری (در ادامه مطلب اشاره شده است.) به وجود آمده است و ناگزیر دارای محدودیت هایی در بهره ولتاژ، مقاومت ورودی، جریان خروجی و ... است. گرچه این گونه محدودیتها که در تقویت کننده عملیاتی معمولی وجود دارند اساس طراحیهای انجام شده بر مبنای حالت ایده آل را بر هم نمی زنند و فقط نتایج را با تقریب روبه رو می سازند، ولی تقویت کننده عملیاتی خاص با کارآیی بالا نیز در بازار یافت می شوند که در بعضی خصوصیتها به وضعیت ایده آل بسیار نزدیک بوده و می تواند در طرحهای ویژه به کار گرفته شوند. مثلا تقویت کنندههای عملیاتی ای ساخته می شوند که دارای سرعت زیاد، جریان خروجی زیاد و مقاومت ورودی بزرگ هستند. شناخت محدودیتهای تقویت کننده عملیاتی واقعی نه تنها در درک عمیق تر عملکرد مدارهای طراحی شده با این تقویت کننده عملیاتی ما را یاری می کند، بلکه برای انتخاب تقویت کننده عملیاتی مناسب برای یک طرح مورد نظر نیز ضرورت دارد.
معرفی بلوکهای تشکیل دهنده یک تقویت کننده عملیاتی
- منابع جریان
- تقویت کننده تفاضلی ورودی
- تقویت کننده میانی
- مدارهای تغییر دهنده سطح DC
- طبقه خروجی (تقویت کننده توان که معمولاً یک تقویت کننده پوش پول است.)
مدار داخلی
آی سیهای تقویت کننده عملیاتی بنا به کاربردشان دارای مدارهای داخلی متفاوتی هستند. آی سی ۷۴۱ جزو سادهترین و ابتداییترین آپ امپها میباشد. مدار داخلی آن قابل مشاهده میباشد.
- قسمت آبی رنگ : این قسمت، طبقه تفاضلی است .ترانزیستورهای Q۱ تا Q۴ زوج تفاضلی ورودی را تشکیل میدهد.Q۵ و Q۶ و Q۷ به همراه سه مقاومت، تشکیل بار فعال میدهند.
- قسمتهای قرمز رنگ : ترانزیستورها در طبقات قرمز، تشکیل منابع جریان میدهند و تقویت کنندههای ترانزیستوری را بایاس میکنند. هر سه منبع جریان، از نوع آینهای هستند.
قسمت صورتی رنگ : این طبقه، طبقه تقویت کننده میانی است. Q۱۵ به عنوان بافر و Q۱۹ با مقاومت ۵۰ اهم در امیتر، یک طبقه امیتر مشترک تشکیل میدهد.
- قسمت آبی آسمانی رنگ : طبقه خروجی تقویت کننده یا همان تقویت کننده توان از کلاس AB (یا پوش پول) میباشد. علت استفاده از تقویت کننده کلاس AB در خروجی، تامین جریان بارهای متنوع در خروجی است .
- قسمت سبز رنگ : این طبقه، چند برابر کننده ولتاژ بیس-امیتر نامیده میشود و برای جلوگیری از اعوجاج همگذری استفاده میشود. این طبقه، ترانزیستورهای تقویت توان را در آستانه روشن شدن، نگاه میدارد. برای رسیدن به پایداری حرارتی مطلوب به جای مقاومت ۴٫۵k میتوان از یک NTC استفاده کرد .
- مقاومت های ۲۵ و ۵۰ اهم در خروجی تقویت کننده جهت جلوگیری از رانش حرارتی ترانزیستورهای Q۱۴ و Q۲۰ به کار گرفته شدهاند.
- خازن ۳۰Pf، جبران ساز میلر است و در مدار قطب بوجود میآورد که به منظور جلوگیری از ناپایداری و نوسان تقویت کننده در فرکانسهای بالا مورد استفاده قرار گرفته است.(فضایی که یک خازن در مدار مجتمع اشغال میکند، چندین برابر فضای اشغال شده توسط یک ترانزیستور است . پس در طراحی مدار مجتمع، باید از حداقل خازن و مقاومت استفاده کرد.)
سرعت تغییرات خروجی (Slew Rate)
تعریف
سرعت تغییر ولتاژ خروجی تقویت کننده عملیاتی محدود است . به عبارت دیگر اگر به ورودی یک تقویت کننده عملیاتی شکل موج پله داده شود، خروجی شکل موج پله نخواهد داشت . بلکه افزایش ولتاژ خروجی با شیب معینی صورت می گیرد.این پارامتر توسط حداکثر جریان شارژ کننده خازن جبران ساز C تعیین می شود. زیرا افزایش ولتاژ خروجی مستلزم افزایش ولتاژ خروجی طبقه تقویت کننده میانی است که از طریق شارژ خازن C انجام می گیرد. حداکثر شیب تغییرات ولتاژ خروجی را با یک پارامتر به نام 'SR' مشخص می نمایند.[۲]
اندازه گیری Slew Rate
برای اندازه گیری Slew Rate می توان از یک فانکشن ژنراتور در حالت موج مربعی و یک اسیلوسکوپ استفاده کرد. Slew Rate برای حالت با فیدبک و بدون فیدبک یکسان است. این پارامتر برای تقویت کنندههای عملیاتی معمولی حدود چند ولت بر میکروثانیه بوده و برای تقویت کنندههای عملیاتی با کارایی بالا از 100 ولت بر میکروثانیه نیز می تواند بیشتر باشد.
عرض باند بهره واحد
در یک تقویت کننده عملیاتی واقعی، نه تنها بهره ولتاژ حلقه باز محدود است بلکه این مقدار نیز تا فرکانس حدود بین 10Hz تا 1KHz ثابت است و پس از آن کاهش می یابد. این کاهش به میزان 20dB/dec با افزایش فرکانس ادامه می یابد. عرض باند بهره واحد در تقویت کنندههای عملیاتی معمولی حدود 1MHz است. در تقویت کنندههای عملیاتی سریع مقدار این پارامتر ممکن است به بیش از چند ده مگاهرتز نیز برسد.
مقاومتهای ورودی و خروجی
برخلاف تقویت کننده عملیاتی ایده آل که مقاومت خروجی آن را صفر در نظر گرفتیم، تقویت کننده عملیاتی واقعی دارای یک مقاومت خروجی در حدود 100 اهم می باشد.(برای تقویت کنندههای عملیاتی معمولی) البته در تقویت کننده هایی که با استفاده از تقویت کننده عملیاتی و مقاومتهای خارجی ساخته می شوند مقاومت خروجی مدار از مقاومت خروجی تقویت کننده عملیاتی کمتر خواهد بود. در این حالت، مقاومت خروجی تقویت کننده عملیاتی در مدار نقش چندان مهمی ندارد و می توان از آن صرف نظر کرد. تاثیر قابل توجه این مقاومت در امپدانس خروجی مدار وقتی ظاهر میشود که محدودیت عرض باند را در نظر بگیریم.
تقویت کننده عملیاتی به عنوان مقایسه کننده(آپ امپ بدون فیدبک)
هنگامی که ولتاژ پایه مثبت(معکوس نکننده) از ولتاژ پایه منفی(معکوس کننده) بیشتر باشد، خروجی آپ امپ، برابر با تغذیه مثبت می شود(تغدیه مثبت در خروجی ظاهر می شود.)
و
هنگامی که ولتاژ پایه مثبت(معکوس نکننده) از ولتاژ پایه منفی(معکوس کننده) کمتر باشد، خروجی آپ امپ، برابر با تغذیه منفی می شود(تغدیه منفی در خروجی ظاهر می شود.)
به روابط توجه کنید.
کاربردهای تقویت کنندگی
تقویت کننده معکوس نکننده
- .
تقویت کننده معکوس کننده
- .
ساخت بافر به کمک آپ امپ
در این حالت بهره ولتاژ برابر یک است . مقاومت ورودی این مدار با توجه به صفر بودن جریان ورودی سر مثبت، برابر بی نهایت است . ملاحظه میشود که تقویت کننده فوق همه شرایط یک بافر را داراست (بهره ولتاژ یک، مقاومت ورودی بی نهایت و مقاومت خروجی صفر) و به همین دلیل در بسیاری از کاربردها به عنوان یک مدار بافر تقریبا ایده آل مورد استفاده قرار میگیرد . این مدار را ولتاژ فالوئر نیز مینامند، زیرا ولتاژ خروجی آن همواره ولتاژ ورودی را دنبال میکند .
ساخت جمع کننده به کمک آپ امپ
هریک از تقویت کنندههای با بهره منفی یا مثبت را با اضافه کردن چند مقاومت در ورودی مطابق شکل میتوان به مدار جمع کننده تبدیل کرد.
تقویت کننده تفاضلی
منظور از تقویت کننده تفاضلی، تقویت کنندهای است که در خروجی آن تفاضل دو سیگنال ورودی با بهره معینی ظاهر میشود. در تقویت کنندههای تفاضلی، معمولاً مقدار متوسط سیگنالهای ورودی نیز تقویت شده و به صورت یک مولفه نا خواسته در خروجی ظاهر میشود. در یک تقویت کننده تفاضلی ایده آل این مولفه در خروجی صفر است .
مدار انتگرال گیر
این مدار شکل موج مربعی را به شکل موج دندانه ارهای تبدیل میکند و در اسیلوسکوپ کاربرد دارد.البته در عمل باید به موازات خازن c یک مقاومت بزرگ قرار داد تا فیدبک از نقطه نظر DC برقرار باشد.
مدار مشتق گیر
کاربردهای غیر خطی( لگاریتمی و آنتی لگاریتمی(نمایی))
تقویت کننده لگاریتمی
جریان اشباع معکوس
در دمای اتاق(25 درجه سانتی گراد) برابر 26 میلی ولت است.
تقویت کننده آنتی لگاریتمی(نمایی)
جریان اشباع معکوس
در دمای اتاق(25 درجه سانتی گراد) برابر 26 میلی ولت است.
کاربرد آپ امپ در طراحی فیلترهای اکتیو
از آپ امپ میتوان در ساخت فیلترهای آنالوگ اکتیو استفاده کرد. نمونهای از این دست فیلتر را در ذیل میبینید.
آپ امپ با فیدبک مثبت
هنگامی که پایه خروجی به طرقی به ورودی معکوس نکننده متصل باشد، مدار کاربرد تقویت کنندگی ندارد . با این روش میتوان مدارهای نظیر مونواستابل، آستابل، بای استابل و اشمیت تریگر ساخت .
اشمیت تریگر با آپ امپ
از آپ امپ در ساخت اشمیت تریگر نیز استفاده می شود. به شکلهای زیر دقت کنید.
تنظیم کننده با تقویت کننده عملیاتی
گرچه استفاده از تنظیم کنندههای ولتاژ ساده در بسیاری از سیستمهای الکترونیکی ارزان قیمت متداول است، ولی در منابع تغذیه تجاری که تنظیم ولتاژ بهتر و دقیق تر و نیز ولتاژ خروجی قابل تغییر مورد نیاز است.
ژیراتور
در طراحی فیلترهای غیر فعال، به دلیل استفاده از سلف، مدارها بسیار سنگین، بزرگ و گران می شوند و دارای تلفات نیز هستند. به همین دلیل استفاده از فیلترهای فعال که در آن از سلف استفاده نمی شود دارای مزیت می باشد. یکی نوع از فیلترهای فعال، فیلتری است که در آن از ژیراتور استفاده می شود.در این روش ابتدا فیلتر غیر فعال را سنتز کرده سپس به جای سلف از ژیراتور که از ترکیب مقاومت و خازن و تقویت کننده عملیاتی ساخته میشود، استفاده می کنیم.
مبدل امپدانس منفی
منظور از مبدل امپدانس منفی، مداری است که بتواند با استفاده از مقاومتهای معمولی در دو سر ورودی خود یک مقاومت منفی ایجاد کند. در مدار شکل روبرم می توان نشان داد که نسبت به یک عدد منفی است. به عبارت دیگر از سر ورودی مثبت، مدار دارای مقاوت منفی است.
تحلیل مدار روبرو: به دلیل استفاده از فیدبک منفی و برابری ولتاژ پایههای ورودی، و تقسیم ولتاژ داریم:
با نوشتن فرمول جریان، و جایگزینی رابطه اول داریم:
مقاومت ورودی، همان نسبت ولتاژ منبع سیگنال به جریان ورودی است.
بنابراین مقاومت ورودی یک مقاومت منفی است.
برای داشتن امپدانس منفی، می توان به جای مقاومت از سلف یا خازن استفاده کرد.
از مبدل مقاومت منفی می توان در طراحی منبع جریان ایده آل با تقویت کننده عملیاتی استفاده نمود.
یکسو ساز دقیق
با استفاده از تقویت کننده عملیاتی و دیود می توان یک، یکسو ساز تقریبا ایده آل ساخت.
توضیح : هنگامی که ولتاژ ورودی کوچک تر از صفر باشد دیود خاموش است و فیدبک منفی برقرار نمی شود پس ولتاژ خروجی صفر است . و هنگامی که ولتاژ ورودی بزرگ تر از صفر باشد دیود روشن میشود فیدبک منفی برقرار میشود و ولتاژ خروجی، برابر ولتاژ ورودی می شود.
این یکسو ساز، نیم موج است.
یکسو ساز دقیق بهبود یافته
در این مدار چون خروجی تقویت کننده عملیاتی به اشباع مثبت و منفی نمی رود نرخ شیب (Slew Rate) خود را خیلی کم نشان می دهد و از مدار قبی کیفیت بهتری دارد.(اگر چه این مدار هم در فرکانسهای بالا Slew Rate خوبی از خود نشان نمی دهد و از مدار قبلی بهتر است.)
کامپیوتر آنالوگ
کامپیوتر آنالوگ به عنوان یک وسیله دقیق قادر است رفتار یک سیستم فیزیکی را که به صورت یک مجموعه معادلات دیفرانسیل و انتگرال قابل توصیف باشد پیش بینی و شبیه سازی نماید. برنامه نویسی چنین کامپیوتری عبارت است از به کارگیری تعدادی تقویت کننده عملیاتی برای انجام عملیاتی که در معادلات توصیف کننده سیستم مورد استفاده قرار گرفته اند. یک کامپیوتر آنالوگ واقعی، علاوه بر تقویت کننده عملیاتی شامل مقاومتها و خازنهای دقیق، مولد شکل موجهای مختلف برای تامین ورودیهای گوناگون، وسایلی برای اعمال شرایط اولیه، پتانسیومتر دقیق برای وارد نمودن ثابتهای قابل تغییر، کلید هایی برای کنترل عملیات، اسیلوسکوپ جهت نمایش خروجی و یک صفحه اتصالات، جهت به هم بستن قطعههای مختلف موجود در برنامه است. در مدارهای کامپیوتر آنالوگ معمولاً از مشتق گیر استفاده نمی شود، زیرا اغتشاش که در همه وسایل الکترونیکی وجود دارد، دارای تغییرات زمانی زیاد(مشتق بزرگ) است در حالی که انتگرال آن در طول زمان معمولاً صفر می شود. بنا براین سعی میشود طراحی بر مبنای انتگرال گیر انجام شود. یک کاربر ماهر می تواند به کمک کامپیوتر آنالوگ یک سیستم فیزیکی را دقیقا شبیه سازی نماید.
پیوند به بیرون
در ویکیانبار پروندههایی دربارهٔ تقویتکننده عملیاتی موجود است. |
پانویس و مراجع
- مشارکتکنندگان ویکیپدیا. «Operational amplifier». در دانشنامهٔ ویکیپدیای انگلیسی، بازبینیشده در ۳ می ۲۰۱۱.
- مشارکتکنندگان ویکیپدیا. «Slew rate». در دانشنامهٔ ویکیپدیای انگلیسی، بازبینیشده در ۳ می ۲۰۱۱.
- ویکیپدیا اسپانیایی
- ویکیپدیا لهستانی