آرشیو بلاگ, الکترونیک

آشنايي با تقويت كننده هاي عملياتي – قسمت آخر

تعریف سرعت تغيير خروجي


سرعت تغییر خروجی تقویت‌کننده عملیاتی محدود است. به‌عبارت دیگر، اگر به ورودی یک تقویت‌کننده عملیاتی شکل‌موج پله‌ای داده شود، خروجی، شکل‌موج پله‌ای نخواهد بود، بلکه افزایش خروجی با شیب معینی صورت می‌گیرد. این پارامتر توسط حداکثر جریان شارژکنندهٔ خازن جبران‌ساز درون آپ‌امپ تعیین می‌شود. زیرا افزایش خروجی، مستلزم افزایش خروجی طبقهٔ تقویت‌کننده میانی است که با شارژ خازن انجام می‌گیرد. حداکثر شیب تغییر خروجی را با یک پارامتر به نام ‘SR’ بیان می‌کنند.

قرمز: شکل‌موج ورودی
سبز: شکل‌موج خروجی


1
برای اندازه‌گیری Slew Rate می‌توان از یک «فانکشن ژنراتور» در حالت موج مربعی و یک نوسان‌نما استفاده کرد. ميزان Slew Rate برای مدارهاي با فيدبك و بدون فيدبك یکسان است. این پارامتر برای تقویت‌کننده‌های عملیاتی معمولی حدود چند ولت بر میکروثانیه بوده و برای تقویت‌کننده‌های عملیاتی با کارایی بالا از ۱۰۰ ولت بر میکروثانیه نیز می‌تواند بیشتر باشد.
پهناي باند بهره واحد اپ امپ ها
در یک تقویت‌کننده عملیاتی واقعی، نه تنها بهرهٔ ولتاژ حلقه باز محدود است بلکه این مقدار نیز در حدود 1 تا 10 هرتز(Hz) ثابت است و پس از آن کاهش می‌یابد. این کاهش به‌ اندازۀ 20 dB/dec با افزایش فرکانس ادامه می‌یابد. پهنای باند بهرهٔ واحد در تقویت‌کننده‌های عملیاتی معمولی حدود ۱ MHz است. در تقویت‌کننده‌های عملیاتی سریع، مقدار این پارامتر ممکن است به بیش از چند ده مگاهرتز نیز برسد.


مقاومت ورودي و خروجي اپ امپ ها

برخلاف تقویت‌کننده عملیاتی ایده‌آل که مقاومت خروجی ندارد، تقویت‌کننده عملیاتی واقعی، مقاومت خروجی در حدود ۱۰۰ اهم دارد (در انواع معمولی). البته در تقویت‌کننده‌هایی که با استفاده از تقویت‌کننده عملیاتی و مقاومت‌های خارجی ساخته می‌شوند مقاومت خروجی مدار از مقاومت خروجی تقویت‌کننده عملیاتی کمتر خواهد بود. در این حالت، مقاومت خروجی تقویت‌کننده عملیاتی در مدار نقش چندان مهمی ندارد و می‌توان از آن صرف نظر کرد. تأثیر قابل توجه این مقاومت در امپدانس خروجی مدار وقتی ظاهر می‌شود که محدودیت عرض باند را در نظر بگیریم.


آپ امپ هاي مقايسه گر

2
اگر ولتاژ پایهٔ مثبت (ورودي غير معكوس) از ولتاژ پایهٔ منفی (ورودي معكوس) بیشتر باشد، سطح خروجی آپ‌امپ، برابر با تغذیه مثبت می‌شود (ولتاژ تغذیهٔ مثبت در خروجی ظاهر می‌شود) و هنگامی که ولتاژ پایهٔ مثبت (ورودي غير معكوس) از ولتاژ پایهٔ منفی (ورودي معكوس) کمتر باشد، خروجی آپ‌امپ، برابر با تغذیهٔ منفی می‌شود (تغذیهٔ منفی در خروجی ظاهر می‌شود).
كاربرد هاي تقويت كنندگي اپ امپ ها

تقويت كننده غير معكوس كننده

3

تقويت كننده معكوس كننده

4

ساخت بافر با اپ امپ

در این حالت، بهرهٔ ولتاژ، برابر یک است. مقاومت ورودی این مدار با توجه به صفر بودن جریان ورودی، برابر بینهایت است. این مدار، همهٔ شرایط یک بافر را دارا است (بهرهٔ ولتاژ یک، مقاومت ورودی بینهایت و مقاومت خروجی صفر) و مانند یک بافر تقریباً ایده‌آل استفاده می‌شود. این مدار را «ولتاژ فالوور (Voltage Follower)» نیز می‌نامند؛ زیرا ولتاژ خروجی آن همواره ولتاژ ورودی را دنبال می‌کند.


جمع كننده با اپ امپ(بهره منفي)

5

هر یک از تقویت‌کننده‌های با بهرهٔ منفی یا مثبت را می‌توان با افزودن چند مقاومت در ورودی، مطابق شکل، به مدار جمع‌کننده تبدیل کرد. با تعویض سرهای + و – بهره مثبت می‌شود.

 

تقويت كننده تفاضلي با اپ امپ

6
منظور از تقویت‌کننده تفاضلی، تقویت‌کننده‌ای است که تفاضل دو ترمینال ورودی با بهرهٔ معینی در خروجی آن ظاهر می‌شود. در تقویت‌کننده‌های تفاضلی، معمولاً مقدار متوسط ترمینال‌های ورودی نیز تقویت شده و به صورت یک مؤلفهٔ ناخواسته در خروجی ظاهر می‌شود. در یک تقویت‌کننده تفاضلی ایده‌آل، این مؤلفه را در خروجی ندارد.


مدار انتگرال گير (فيلتر پايين گذر)

7

این مدار، شکل‌موج مربعی را به شکل‌موج دندانه ‌اره‌ای تبدیل می‌کند و در نوسان‌نما کاربرد دارد. البته در عمل باید یک خازن را با مقاومت بزرگ موازی کرد تا فيدبك DC برقرار باشد.

مدار مشتق گير(فيلتر بالا گذر)

8

كاربرد هاي غير خطي اپ امپ ها


1. تقويت كننده لگاريتمي

9
Is جریان اشباع معکوس و Vtدر دمای اتاق (۲۵ درجهٔ سلسیوس) برابر ۲۶ میلی‌ولت است.


2. تقويت كننده پاد لگاريتمي

10

Isجریان اشباع معکوس و Vtدر دمای اتاق (۲۵ درجهٔ سلسیوس) برابر ۲۶ میلی‌ولت است.

فيلتر هاي فعال با اپ امپ ها

از آپ‌امپ می‌توان در ساخت فیلترهای فعال استفاده کرد. نمونه‌ای از آن‌را در زیر می‌بینید.

فیلتر بالاگذر از نوع Sallen key :

اپ امپ هاي با فيد بك مثبت

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3b/OP_SchmittTrigger.png?uselang=fa

اگر خروجی به‌گونه‌ای به ورودی غيرمعكوس شونده وصل باشد، مدار کاربرد تقویت‌کننده‌ای ندارد. با این روش می‌توان مدارهایی مانند مونوستابل (monostable)، آستابل (astable)، بی‌استابل (bistable)، و اشمیت‌تریگر ساخت.

مدار اشميت تريگر با اپ امپ

منحنی عملکرد اشمیت‌تریگر

 

رگولاتور هاي ولتاژ و اپ امپ ها

 

گرچه استفاده از تنظیم‌کننده‌های ولتاژ ساده در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی ارزان‌ رایج است، در منابع تغذیهٔ تجاری و صنعتی که تنظیم ولتاژ، بهتر و دقیق‌تر و نیز ولتاژ خروجی تغییرپذیر لازم است، مدارهای پیچیده‌تر با استفاده از آپ‌امپ به‌کار می‌رود.
 

فيلتر ژيراتور(Gyrator)

در طراحی فیلترهای نافعال، به دلیل استفاده از القاگر، مدارها سنگین، بزرگ، گران و دارای تلفات می‌شوند. برای همین، استفاده از فیلترهای فعال که القاگر ندارند، بهتر است. یکی از انواع فیلترهای فعال، فیلتری است که در آن از ژیراتور استفاده می‌شود؛ در آن‌ها ابتدا فیلتر نافعال را طراحی و پیاده‌ شده، سپس ژیراتور، که ترکیبی از مقاومت و خازن و تقویت‌کنندهٔ عملیاتی است، جایگزین القاگر می‌شود.

مبدل امپدانس(امپدانس منفي)

 

منظور از تبدیل‌گر امپدانس منفی، مداری است که با استفاده از مقاومت‌های معمولی در دو سر ورودی خود، یک مقاومت منفی درست می‌کند. در مدار روبرو، نسبت Viبه Ii یک عدد منفی است. به عبارت دیگر، از دید ورودی مثبت، مدار، مقاوت منفی دارد.
در مدار روبرو، به دلیل استفاده از بازخورد منفی و برابری ولتاژ پایه‌های ورودی، و تقسیم ولتاژ:
11

با نوشتن رابطۀ جریان، و جایگزینی رابطهٔ نخست:
12

مقاومت ورودی، نسبت ولتاژ منبع سیگنال به جریان ورودی است.
13
بنابراین مقاومت ورودی، منفی می‌شود.
برای داشتن امپدانس منفی، می‌توان به جای مقاومت از القاگر یا خازن استفاده کرد.
از تبدیل‌گر مقاومت منفی می‌توان در طراحی منبع جریان ایده‌آل با تقویت‌کنندهٔ عملیاتی استفاده کرد.

يكسو ساز هاي دقيق

1. یکسوساز دقیق

 

با استفاده از تقویت‌کنندهٔ عملیاتی و دیود، می‌توان یکسوساز تقریباً ایده‌آل ساخت. در مدار یک‌سوساز دقیق ولتاژ ورودی به جای آنکه مستقیماً به دیود وصل شود از راه آپ‌امپ به آن وصل می‌شود. یعنی ورودی به سر مثبت آپ‌امپ و خروجی نیز بعد از اتصال به دیود با فیدبک منفی به سر منفی آپ‌امپ وصل می‌شود؛ اگر ولتاژ ورودی منفی باشد، دیود خاموش است و فيدبك منفی برقرار نمی‌شود پس خروجی صفر است، و اگر ورودی مثبت باشد، دیود روشن می‌شود و فيدبك منفی برقرار می‌شود و خروجی، برابر ورودی می‌شود. در نتیجه اگر دیود روشن باشد خروجی تنها به مقدار ناچیزی از ورودی کمتر خواهد بود (به اندازه ولتاژ دیود تقسیم بر بهره حلقه باز آپ‌امپ). زیرا ولتاژ دو سر ورودی آپ‌امپ تقریباً برابر است.
این یک‌سوساز، نیم‌موج است.

2. يكسو ساز هاي دقيق بهينه شده

در این مدار، چون خروجی تقویت‌کنندهٔ عملیاتی به اشباع مثبت و منفی نمی‌رود، نرخ چرخش (Slew Rate)، چندان اثرگذار نیست و از مدار پیشین، کیفیت بهتری دارد. (گرچه این مدار در بسامدهای بالا، Slew Rate خوبی ندارد، ولی از مدار پیشین بهتر است.


معروف ترين تقويت كننده هاي عملياتي


آي سي LM324
محبوب‌ترین آی‌سی برای مدارهای ربات مسیریاب است. این آی‌سی، چهار آپ‌امپ (DUAL AP-AMP) دارد. این آپ‌امپ‌ها برای مقایسهٔ ولتاژ خروجی حس‌گرها به‌کار می‌روند.
آي سي LN2803
میانگیر NOT دارد. پایهٔ ۹ آن تغذیهٔ منفی و پایهٔ ۱۸ آن تغذیهٔ مثبت است. جریان خروجی آن در حدود ۵۰۰ میلی‌آمپر است. این آی‌سی بیشتر برای درایو کردن موتور پله‌ای در ربات‌های مسیریاب استفاده می‌شود.
آي سي TL022CP
یک آپ‌اَمپ شامل تقویت‌کنندهٔ کم‌مصرف با امپدانس ورودی بالا و جریان تغذیهٔ کم است.
آي سيLM358N
یک آپ‌اَمپ شامل دو تقویت‌کننده با مصرف پایین و بهرهٔ بالا است.

author-avatar

درباره احمد اسلامی فر

مهندس احمد اسلامی فر متولد 15 بهمن سال 1376 کارشناس الکترونیک و دبیر اسبق انجمن علمی مهندسی برق دانشکده مهندسی دانشگاه آزاد اسلامی واحد دزفول می باشد. وی از سال 1388 فعالیت تخصصی خود را در زمینه رباتیک آغاز و دارای مقام های اول تا چهارم شهرستانی ، استانی و کشوری بوده و به 3 سال نیز به عنوان مربی و سرگروه تیم رباتیک فعالیت داشت است همچنین با توجه به علاقه شخصی خود از سال 1394 نیز به صورت تخصصی در زمینه تدریس دوره های مکالمه زبان انگلیسی در موسسات آزاد و پژوهشسرای فرهیختگان به فعالیت و تربیت دانش آموزان پرداخته است. برخی از سوابق علمی ایشان به شرح زیر است - دبیر انجمن علمی دانشگاه آزاد اسلامی از سال 1395 تا 1399 - مربی و سرتیم رباتیک و پژوهشگر محصل از سال 1390 الی 1395 - شرکت مستمر در نمایشگاه های شهرستانی از سال 1389 تا سال 1395 - حضور و شرکت در مسابقات رباتیک شهرستانی ،استانی و کشوری از سال 1388 تا سال 1395 و ... همچنین ایشان در زمینه تحقیقات و مقالات نیز فعالیت داشته و دارای تعدادی مقاله در ژورنال ملی می باشد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *