مدار آپ امپ

مدار آپ امپ

مدار آپ امپ و شیوه های مختلف بستن مدارات آپ امپی

• تقویت کننده معکوس (Inverting Amplifier)

• تقویت کننده مستقیم

• دنبال کننده ولتاژ

• تقویت کننده ولتاژ به جریان

• تقویت کننده جریان به ولتاژ

• مدار نمونه با استفاده از دیود

• مدار انتگرال گیر

• مدار مشتق گیر

• مدار جمع کننده

• مدار تفریق کننده

• مدار مولد موج دندان اره ای

مدار آپ امپ تقویت کننده معکوس (Inverting Amplifier)

با توجه به اینکه +V زمین شده است. بنابراین مقدار آن صفر است. از آنجا که در حالت ایده آل +V با -V برابر است.در نتیجه -V نیز صفر می شود.

با توجه به بالا بودن مقاومت ورودی آپ امپ در پایه منفی و با توجه به قوانین گره می توان نتیجه گرفت که
جریان امپدانس یا مقاومت Z1 برابر با جریان امپدانس با مقاومت Z2 می باشد

در واقع در اینجا فرض کردیم IZ1 جریان وارد شونده به گره موجود در پایه منفی آپ امپ است.و IZ2 جریان خارج شونده از این گره است.

با توجه به قانون اهم و جهت جریان و صفر بودن جریان ورودی در آپ امپ رابطه زیر را برای IZ1 و IZ2 داریم.

IZ2=(VS/Z1)

IZ2=-(Vout/Z2)

VS/Z1= – Vout/Z2

با توجه به فرمول فوق و تساوی IZ1 و IZ2 رابطه زیر بدست می آید.

Vout=-(Z2/Z1Vs)

در این فرمول خروجی ضریب منفی یا برعکس شده ورودی است.

اگر مقاومت فیدبک و مقاومت ورودی یکسان باشند. مقدار گین برابر منفی یک می شود.در این حالت آپ امپ به صورت یک بافر NOT یا معکوس عمل می کند.

مدار آپ امپ تقویت کننده مستقیم

در این حالت برعکس حالت قبلی تحریک آپ امپ از پایه مثبت صورت می گیرد.همانطور که در شکل زیر مشخص است V+=VS است.

با توجه به هم پتانسیل بودن پایه های ورودی منفی و مثبت در حالت ایده آل داریم V-=VS
با در نظر گرفتن قانون اهم در مورد جریان IZ2 رابطه زیر را داریم

IZ2=(Vout – V1) / Z2

همانطور که دیدیم V-=V1=VS می باشد.در نتیجه فرمول فوق به صورت زیر ساده می شود.

IZ2=(Vout – Vs) / Z2

IZ1=(V1 – ۰) / Z1

با توجه به قوانین گره و صفر بودن جریان ورودی آپ امپ در حالت ایده آل و روابط فوق رابطه زیر را داریم

(Vout – Vs) / Z2=Vs/Z1

با ساده کردن رابطه فوق داریم

Vout=(1+Z2/Z1)Vs

در این حالت خروجی مضرب مثبتی از ورودی است.

مدار آپ امپ دنبال کننده و لتاژ

در یک آپ امپ ایده آل که به صورت زیر بسته شود.ولتاژ ورودی VS با ولتاژ خروجی برابر می شود.در این حالت به دلیل امپدانس بالای ورودی در آپ امپ ها ولتاژ خروجی با وجود برابری با ولتاژ ورودی ولی کاملا از جریان ورودی مجزا یا ایزوله شده است.

مقدار ولتاژ‌ خروجی از فرمول زیر تبعیت می کند.

همانطور که گفته شد.،در آپ امپ ایده آل +V-=V

همانطور که در نقشه ملاحظه می کنیم+Vs=V. در این حالت جریان از پایه مثبت به پایه منفی می رود.،و از آنجا به خروجی می رود.در این حالت -Vout=V می شود.و در نهایت

Vs=Vout

مدار آپ امپ تقویت کننده ولتاژ به جریان

در این حالت جریان ایجاد شده در بار مقاومتی متناسب با ولتاژ ورودی است.به دلیل مقاومت ورودی بسیار بالا در آپ امپ ها می توان از جریان ورودی آپ امپ ها صرفنظر کرد.بنابراین جریان خروجی از رابطه زیر محاسبه می شود.

I out = V in / R2

مدار آپ امپ تقویت کننده جریان به ولتاژ

از این مدار جهت تقویت جریانهای خیلی کوچک در حد میکرو آمپر و تبدیل آن ها به ولتاژ های مناسب و بیشتر از میکرو استفاده می شود.

با استفاده از فرمول زیر می توانیم.مقدار ولتاژ خروجی را محاسبه کنیم.

V out = – I in * R f

مدار نمونه با استفاده از دیود

همانطور که در شکل زیر مشاهده می کنیم.مسیر فیدبک توسط دیود ایجاد می شود.اگر شکل موج ورودی سینوسی باشد.این شکل موج را با عبارت Vin در کنار شکل می توانیم در شکل بالا مشاهده کنیم.خروجی این آپ امپ در حالتی که ولتاژ ورودی در سیکل منفی باشد.،نزدیک به صفر است.که با صرفنظر کردن از این مقدار نزدیک به صفر آنرا صفر در نظر می گیرند.

در این حالت ولتاژ های کمتر از ولتاژ هدایت دیود را از سیگنال ورودی در حالت عملی در خروجی نخواهیم داشت.

مدار آپ امپ انتگرال گیر

همانطور که در شکل زیر مشاهده می کنیم.زمانیکه لبه بالارونده پالس را در ورودی منفی این آیسی داشته باشیم. ولتاژ‌ در پایه منفی بیشتر از ولتاژ در پایه مثبتی است.که زمین شده است.در این حالت آپ امپ به صورت معکوس کننده عمل می کند.

همانطور که می دانیم.انتگرال شکل موج مربعی به صورت مثلثی است.شیب این شکل موج در لبه بالا رونده منفی و در لبه پایین رونده مثبت می شود.

می توانیم شکل موج مربعی را توسط آیسی ۵۵۵ ایجاد کنیم.و شکل موج مثلثی را در اسیلسکوپ ببینیم.

در حالت ایده آل همانطور که می دانیم+V-=V .

با توجه به قوانین مربوط به گره،جریان های وارد شونده به یک گره با جریان های خارج شونده از گره برابر هستند.این قانون تحت عنوان kcl نامیده می شود.بنابراین رابطه زیر را خواهیم داشت.

IR1= -I + Ic2

همانطور که گفته شد به دلیل مقاومت ورودی بالا در آپ امپ می توانیم از جریات I- صرفنظر کنیم.
بنابراین رابطه بالا به صورت زیر ساده می شود.

IR1=Ic2

با توجه به قانون اهم جریان گذرنده از مقاومت IR1 به این صورت به دست می آید.

IR1=(Vs – V-) / R1

با توجه به اینکه در حالت ایده آل +V-=V و +V برابر صفر است -V نیز صفر می شود.

و رابطه مربوط به جریان در بالا به این صورت ساده می شود.

IR1 =Vs / R1

رابطه مربوطه به جریان خازن به صورت زیر می باشد.در این رابطه جریان خازن با حاصلضرب ظرفیت خازن بر حسب فاراد در مشتق زمانی ولتاژ‌ خازن بدست می آید.

IC(t)=C2d/dtVc(t))

بر اساس این رابطه و جهت جریان عبارت مربوط به جریان خازن به صورت زیر به دست می آید.

IC(t)=C2d/dt(V- – Vout)

با توجه به صفر بودن رابطه بالا به صورت روبرو ساده می شود.

IC(t)=-C2d/dt Vout

بنابر روابط مربوط به kcl که گفته شد.رابطه زیر را خواهیم داشت.

Vs(t)/R1=-C2d / dt Vout

با ساده کردن این رابطه خواهیم داشت.

d / dt Vout=Vs(t)/(R1C2)

همانطور که می دانیم.انتگرال از مشتق برابر خود عبارت می شود. پس برای بدست آوردن خروجی از دو طرف تساوی انتگرال می گیریم.

در این حالت خروجی برابر انتگرال حاصل تقسیم ورودی بر حاصلضرب مقاومت در ظرفیت خازن خواهد شد.

در این حالت اگر شکل موج ورودی به صورت مربعی باشد شکل موج خروجی به صورت مثلثی خواهد بود.

مدار آپ امپ مشتق گیر

اگر در محل اتصال خازن با پایه ۲ آپ امپ مطابق شکل از قوانین مربوط به kcl استفاده کنیم. همانطور که می دانیم بر اساس قوانین kcl جریان های وارد شونده به یک گره با جریان های خارج شونده از گره برابرند.در این گره ای که مطرح شد.،۳ جریان وجود دارد.،یک جریان را جریان خازن در نظر بگیریم.،که به گره وارد می شود.دو جریان دیگر از گره خارج می شوند.یک جریانی که وارد پایه منفی آپ امپ می شود.و جریانی که وارد مقاومت R2 در خروجی می شود.بنابراین فرمول زیر را خواهیم داشت.

Ic=I – +IR2

به دلیل مقاومت ورودی بالا در آپ امپ و در حالت ایده آل می توانیم از جریان در پایه منفی آپ امپ صرفنظر کنیم بنابراین داریم

در واقع بنابر فرمول زیر همان جریانی که از خازن در ورودی می گذرد وارد خروجی نیز می شود.

Ic=IR2

فرمولی که می توان در مورد جریان خازن وجود دارد.به صورت زیر است.

در این فرمول c ظرفیت خازن بر حسب فاراد است.t نیز در این عبارات بیانگر این است.که این فرمول بر حسب زمان می باشد.

d/dt نیز همانطور که می دانیم علامت مشتق گیری است.بنابراین جریان گذرنده از خازن از حاصلضرب ظرفیت خازن در مشتق زمانی ولتاژ بدست می آید.

Ic(t)= cd / dt Vc(t)

جریان گذرنده از مقاومت فیدبکی R2 نیز از رابطه زیر محاسبه می شود.

IR2 =(V- -Vout )/ R2

در حالت ایده آل V-=0 می باشد.بنابراین

IR2 = -Vout / R2

بنابر روابط فوق رابطه زیر را خواهیم داشت.

-Vout/R2 = cd / dtVc(t)

با ساده کردن عبارت فوق خواهیم داشت.همانطور که می بینیمخروجی از مشتق ورودی حاصل می شود.

-Vout = R2cd / dtVc(t)

در شکل مثلثی ورودی مربوط به مشتق گیر.،هر جا که شیب خط مثلثی شکل زاویه ای حاده باشد لبه بالا رونده پالس را خواهیم داشت.،و هر جا که این زاویه منفرجه یا باز باشد.لبه پایین رونده پالس را خواهیم داشت.

اگر شکل موج ورودی سینوسی باشد.مشتق آنرا در نظر بگیریم.وسپس به خاطر علامت منفی که در فرمول بدست آوردیم. آنرا معکوس کنیم.

d/dtsin(at)=-acos(at)

علامت منفی این عبارت با منفی فرمول بالا مثبت می شود.
بنابراین در این حالت شکل موج خروجی همسان با شکل موج ورودی و جلوتر از آن ایجاد می شود.
علت جلوتر بودن آن ضریب a است.که در مشتق مشاهده می کنیم.این شکل موج ها را براحتی می توانیم در اسیلسکوپ مشاهده کنیم.

اگر شکل موج ورودی مربعی باشد.،همانطور که می دانیم مشتق تابع پله ای تابع ضربه ای می شود .
بنابراین در خروجی هنگامیکه لبه بالارونده پالس وجود داشته باشد.، یک پالس نوک تیز به سمت بالا خواهیم داشت.
و هنگامیکه لبه پایین رونده پالس را داشته باشیم.این پالس نوک تیز به سمت پایین خواهد بود.

مدار آپ امپ جمع کننده

با توجه به مقاومت ورودی بالا در آپ امپ جریان هر یک از مقاومت ها در ورودی و جریان خروجی از رابطه زیر بدست می آید.
علامت منفی نیز به خاطر این است که تحریک ولتاژ از پایه منفی صورت گرفته است.

V1/R1 + V2/R2 = – Vout/R3

اگر مقاومت های R1،R2 و R3 با یکدیگر برابر باشند.فرمول بالا به صورت زیر محاسبه می شود.

-(Vout=(V1+V2))

مدار آپ امپ تفریق کننده

اگر آپ امپ را ایده آل فرض کنیم.در واقع مقاومت ورودی آنرا بی نهایت و ولتاژ در دو پایه مثبت و منفی آنرا یکسان در نظر بگیریم.
روابط زیر را جهت محاسبه ولتاژ‌خروجی خواهیم داشت.

V- = V+

مقدار ولتاژ در مقاومت R3 به صورت زیر محاسبله می گردد.در اینجا از قانون تقسیم ولتاژ در مقاومت های سری استفاده شده است.
اگر به شکل نگاه کنیم.این دو مقاومت سری نیستند.
اما به دلیل بالا بودن مقاومت وردی آپ امپ و صفر بودن جریان ورودی می توان دو مقاومت را سری در نظر گرفت.

VR3=(V2*R3 / (R1+R3))

همانطور که در شکل می بینیم.

VR3=V+

و همانطور که گفته شد.در حالت ایده آل +V- = V است.بنابراین همانطور که در شکل می بینیم -VA=V است.

از روابط گفته شده می توان نتیجه گرفت که VA=VR3 است.

با توجه به اینکه جریان های وارد شده یه یک گره با جریان خارج شونده از آن گره برابر است.،بنابراین اگر شما در شکل زیر گره VA را در نظر بگیریم.جریان خارج شونده از آن به سمت ورودی منفی آپ امپ به دلیل مقاومت بالا ورودی آپ امپ نزدیک به صفر خواهد بود.،که در محاسبات صفر در نظر می گیرند.این کاهش جریان و نزدیکی آن به صفر را می توان با رابطه قانون اهم به راحتی فهمیم.

V=R*I بر اساس این قانون هر چه قدر جریان بیشتر شود.مقاومت کمتر خواهد شد.چرا که همانطور که در فرمول می بینیم. می توانیم مقاومت را در کسر در زیر ولتاژ بیاوریم.و جریان را به صورت مجزا در یک طرف تساوی داشته باشیم.حال هر چه قدر مقاومت را بیشتر کنیم.این کسر کوچکترمی شود. و جریان کمتر می شود.

با توجه به مسایل گفته شده جریان در مقاومت R1 برابر

(V1-VA)/ R1

جریان در مقاومت R3 نیز از رابطه زیر بدست می آید

(Vout – VA) / R3

با توجه به قوانین مربوط به گره اگر هر دو جریان را وارد شونده به گره VA در نظر بگیریم.رابطه زیر را خواهیم داشت.

(V1-VA)/ R1 = -(Vout – VA) / R3

با ساده کردن این رابطه و جاگذاری VA با عبارت مربوط به VR3 که مساوی VA بدست آمد.رابطه نهایی زیر را خواهیم داشت.

۱/ R1 * (V1-V2)= -Vout / R3

اگر دو مقاومت R1 و R3 با یکدیگر مساوی باشند.رابطه زیر را خواهیم داشت.،که بیانگر عمل تفریق است.

Vout= V2 – V1

مدار آپ امپ مولد موج دندان اره ای

برای دیدن توضیح کامل مدار مولد موج دندان اره ای به اینجا مراجعه کنید.

یکی از معروفترین اپ-امپ ها آی سی ۷۴۱ می باشد .

مشخصات این آی سی به شرح زیر می باشد : (برای اطلاعات بیشتر این آی سی می توانید به فروشگاه ایده الکترونیک مراجعه کنید )

• بهره حلقه باز : (۵^۱۰*۲)
• امپدانس ورودی : ۱ مگا اهم
• امپدانس خروجی : ۵۰ اهم
• ولتاژ تغذیه : بین( ۵- و ۵+) تا (۱۸- و ۱۸+) ولت

دسته بندی : الکترونیک پایه , مقالات