تقویت کننده های عملیاتی یا آپ امپ (OP-AMP)

تقویت کننده عملیاتی

تقویت کننده های عملیاتی یا آپ امپ (OP-AMP)

آپ امپ کلمه اختصاری مربوط به تقویت کننده های عملیاتی می باشد و به صورت مدار مجتمع در دسترس می باشند این تقویت کننده ها از پایداری بالایی برخوردارند و با اتصال ترکیب مناسبی از عناصر خارجی مثل مقاومت،خازن،دیود و غیره به آنها،می توان انواع عملیات خطی و غیر خطی را انجام داد

از ویژگیهای اختصاصی تقویت کننده های عملیاتی ورودی تفاضلی و بهره بسیار زیاد است.

از موارد کاربرد آپ- امپ ها می توان به تقویت کننده های تفاضلی در الکترو کاردیو گراف یا همان ضربان سنج قلب، یکسو کننده های دقیق، سیستمهای کنترل خطی، سیستمهای مخابراتی، کامپیوترهای آنالوگ و… نام برد.

و هم چنین :

تقویت کننده های عملیاتی، تقویت کننده های کوپل مستقیم بوده،که دارای گین (Gian) خیلی زیادی می باشند. که مقدار این گین را با کمک مقاومت فیدبک ( مقاومتی که بخشی از ولتاژ و یا جریان خروجی را به ورودی منتقل می کند) می توان کنترل نمود. این تقویت کننده ها اکثراً در مدارات خطی بکار می روند و اغلب درمدارات غیرخطی نیز از آنها استفاده می شود.

یک تقویت کننده عملیاتی ایده آل بایستی شرایط زیر را دارا باشد.

مقاومت ورودی آن بی نهایت باشد (Zi=Ri= ∞).

مقاومت خروجی آن صفر باشد (Zo=Ro= 0).

گین ولتاژ حلقه باز آن بی نهایت باشد (Av= -∞).

عرض باند آن بی نهایت باشد (BW= ∞).

هنگامی که اختلاف ولتاژ در ورودی صفر است، ولتاژ خروجی نیزصفر باشد.

منحنی مشخصه آن با درجه حرارت تغییر نکند.

این المان الکترونیکی اختلاف میان ولتاژهای ورودی در پایه های مثبت و منفی را در خروجی با تقویت بسیار بالایی آشکار می سازد.حتی اگر این اختلاف ولتاژ کوچک نیز باشد. آنرا به سطح قابل قبولی از ولتاژ‌ در خروجی تبدیل می کند.به شکل مداری این المان در زیر توجه کنید:

تقویت کننده عملیاتی

این المان همواره دارای دو پایه مثبت و منفی در ورودی،این دو پایه ورودی مستلزم یک پایه در خروجی هستند.
پایه ورودی مثبت را در اصطلاح لاتین non-inverting و پایه منفی را inverting می گویند.

نحوه عملکرد op_amp

این المان بسته به وضعیت پایه های ورودی و خروجی دارای شرایط و عملکرد متفاوتی خواهد شد که در زیر به توضیح راجع به این وضعیت ها می پردازیم.

اگر inverting > noninverting باشد.خروجی به سمت منفی VSS اشباع می شود.منظور از منفی VSS مقدار منفی ولتاژ تغذیه آیسی است. مثلا اگر ولتاژ ورودی ۵ ولت باشد و ورودی پایه منفی دارای ولتاژی بزرگتر از ورودی پایه مثبت باشد.خروجی به سمت منفی ۵ ولت به اشباع می رود.

اگر inverting < noninverting باشد.خروجی به سمت مثبت VSS اشباع می شود.مثلا اگر تغذیه آیسی ۵ ولت باشد.و ورودی پایه مثبت دارای ولتاژی بزرگتر از پایه منفی باشد.خروجی به سمت مثبت ۵ ولت به اشباع می رود.به شکل توجه کنیم این شکل گویای همه مطالب است.همانطور که مشاهده می کنیم.،هر جا که اختلاف ولتاژ ورودی مثبت باشد.خروجی به اشباع مثبت VSS می رود.و همچنین هر جا که اختلاف ولتاژ ورودی منف با شد خروجی به منفی VSS می رود.

منظور از اختلاف ولتاژ ،اختلاف بین ورودی مثبت از منفی است.

تقویت کننده عملیاتی
بدون قرار دادن فیدبک از خروجی به ورودی، ماکزیمم اشباع در خروجی با کمترین اختلاف ولتاژ‌ در پایه های مثبت و منفی ورودی بوجود می آید.در این حالت مدار شما بسیار نویز پذیر است.

در حالت ایده آل منظور حالت غیر عملی است.،در این حالت op-amp ها دارای مقاومت ورودی بی نهایت تقویت سیگنال ورودی در خروجی به صورت بی نهایت و مقاومت خروجی صفر هستند.

در حالت واقعی گین یا تقویت بین ولتاژ های مثبت و منفی ورودی محدود می شود.

بین پایه های ورودی و خروجی آپ امپ جریانی وجود ندارد.و این تنها ولتاژ ورودی است که خروجی را کنترل می کند.

استفاده از فیدبک در آپ امپ

با استفاده از فیدبک می توانیم میزان تقویت ولتاژ های ورودی در خروجی را تعیین کنیم. فیدبک می تواند. از خروجی به هر یک از پایه های مثبت و منفی صورت گیرد.در آپ امپ اغلب فیدبک از خروجی به پایه منفی صورت می گیرد این نوع فیدبک را فیدبک منفی یا negative feedback می نامند.

با استفاده از فرمول زیر می توانیم. میزان تقویت یا گین(gain) را در این نوع از فیدبک به راحتی محاسبه کنیم.

GAIN=1+Rf/Rin

در فرمول فوق Rf همان مقاومت فیدبک است.که در شکل زیر با نام R2 و از خروجی به پایه منفی ورودی زده شده است.منظور از Rin نیز مقاومت ورودی است.،که در شکل زیر با نام R1 می باشد.

تقویت کننده عملیاتی
بنابر فرمول فوق اگر Rf برابر صفر باشد دیگر تقو یتی وجود ندارد.،و GAIN برابر یک می شود.در این حالت ولتاژ خروجی برابر ولتاژ ‌ورودی است.در این وضعیت آپ امپ تنها به صورت یک بافر مجزا کننده یا ISOLATE کننده جریان ورودی از خروجی عمل می کند.شکل زیر نشان می دهد چگونه خروجی بدون استفاده از مقاومت به پایه منفی ورودی فیدبک زده شده است.

تقویت کننده عملیاتی

آپ امپ در حالت مقایسه گری یا Comparator :

در این حالت کوچکترین اختلاف بین ولتاژ های ورودی تقویت شده و در خروجی نمایان می شود.
در این وضعیت خروجی زمانی high یا سوییچ می شود.که مقدار ولتاژ‌ در پایه inverting یا منفی به سطح ولتاژ‌ در پایه noninverting یا مثبت برسد.این ولتاژ در شکل زیر برابر vref است.
از این نوع مدار جهت مقایسه ولتاژ های ورودی به خصوص در سنسورها استفاده می شود.
در این مدار به جای مقاومت R2 می توانیم از پتانسیومتر جهت تعیین ولتاژ‌ Vref و تنظیم آن به صورت دلخواه استفاده کنیم.

تقویت کننده عملیاتی

تقویت کننده مستقیم (noninverting amplifier)

در این حالت ورودی منفی یا inverting توسط مقاومت R1 زمین می شو د.و فیمک نیز از خروجی توسط مقاومت R2 به ورودی منفی فیدبک داده می شود.در این حالت خروجی کاملا هم فاز با ورودی خواهد بود.

تغذیه Op-Amp

در بعضی موارد Op-Amp ها نیاز به دو منبع تغذیه مثبت و منفی دارند.

اگر ما مایل باشیم که تنها از خروجی مثبت آپ امپ استفاده کنیم.در واقع منظور ولتاژ های مثبت در خروجی است.
در این حالت می بایست منفی Vss را به زمین متصل کنیم.
ولتاژ‌ مثبت را تنها به پایه تغذیه مثبت وصل کنیم.
در این حالت بایستی از دو باطری یا از یک منبع تغذیه دوتایی مثبت و منفی استفاده کنیم.

نکات مهم درباره Op-Amp

هیچگاه تغذیه مثبت و منفی آپ امپ را به صورت معکوس وصل نکنیم.،با این کار Op-Amp خواهد سوخت.
تغذیه ورودی های مثبت و منفی می بایست.از مقادیر ورودی در پایه های inverting و noninverting بیشتر باشد.
سیگنال های ورودی و خروجی را توسط خازنهای ۱٫۰ufتا ۰٫۱uf زمین کنیم تا از تاثیر نویز در مدار خود جلوگیری کنیم.
در حالت ایده آل آپ امپ ها دارای مقاومت ورودی بالا و در نتیجه جریان ورودی در حد صفر و مقاومت خروجی صفر می باشند.
همچنین در این حالت ولتاژ‌ در ورودی های مثبت و منفی با یکدیگر مساوی هستند

V-=V+