آرشیو بلاگ, الکترونیک

تقویت‌کننده عملیاتی یا آپ‌اَمپ – قسمت اول

Op amps

تقویت‌کننده عملیاتی یا آپ‌اَمپ ( op-amp یا Operational amplifier)، یک تقویت‌کنندۀ ولتاژ با بهره (گِین) بسیار بالاست و معمولاً دارای دو ورودی و یک خروجی است، که ورودی‌ها به صورت تفاضلی عمل می‌کنند. به عبارت دیگر، این تقویت‌کننده، اختلاف ولتاژ ورودی‌ها را تقویت می‌کند.

 Capture

یکی از دو ورودی، ورودی منفی (-) یا وارون‌گر نام دارد، زیرا تقویت‌کننده برای سیگنال واردشونده به آن، دارای بهرهٔ منفی است. ورودی دیگر، ورودی مثبت (+) یا ناوارون‌گر است و سیگنال واردشونده به آن، در خروجی با بهرهٔ مثبت ظاهر می‌شوند.

این تقویت‌کننده، دارای مقاومت خروجی بسیار کوچک (حدود چند اهم) بوده و از مقاومت ورودی بسیار بزرگی (بیش از چند صد کیلو اهم) برخوردار است. چون تقویت‌کننده عملیاتی، یک افزارهٔ فعال است، برای تأمین انرژی مصرفی و بایاس ترانزیستورهای خود به تغذیهٔ DC نیاز دارد.

ایدهٔ به‌کارگیری تقویت‌کننده‌های عملیاتی نخستین‌بار در دههٔ ۱۹۴۰م و در رایانه‌های آنالوگ مطرح شد. در این کاربرد با قرار دادن عنصرهای مداری گوناگون میان ورودی‌ها و خروجی تقویت‌کننده عملیاتی، مدارهای گوناگون با کارایی‌های متفاوت طراحی می‌شد؛ و به وسیله آن‌ها عملیات ریاضی مانند جمع، تفریق، ضرب، تقسیم، مشتق‌، و انتگرال‌ پیاده می‌شد.

بدین ترتیب امکان پیاده‌سازی رایانه‌های آنالوگ (رایانه‌های امروزی دیجیتال هستند) برای حل معادلات دیفرانسیل فراهم گردید. با گسترش دامنهٔ کاربرد الکترونیک، استفاده از تقویت‌کننده عملیاتی نیز گسترش فراوان یافت. در سال ۱۹۶۰م نخستین‌ بار تقویت‌کننده عملیاتی به صورت مدار مجتمع طراحی و ساخته شد و با اندازه، وزن و قیمت به‌مراتب کمتر به بازار مصرف ارائه گردید.

پیشرفت فناوری و مطرح شدن نیازهای متنوع‌تر و تخصصی‌تر، زمینه را برای عرضهٔ تقویت‌کننده‌های عملیاتی خاص فراهم کرد.


 

شناسایی پایه‌های یک آی‌سی رایج آپ‌امپ (741)

 
پایه‌های آی‌سی آپ‌امپ(741)
  • پایه‌های ۴ و ۷، پایه‌های تغذیهٔ منفی و مثبت آی‌سی هستند.
  • پایه‌های ۲ و ۳، پایه‌های ورودی وارون‌گر و ناوارون‌گر آی‌سی هستند.
  • پایهٔ ۶، پایهٔ خروجی است.
  • پایه‌های ۱ و ۵، پایه‌های تغییردهندهٔ سطح DC خروجی آی‌سی هستند که توسط آن‌ها می‌توان سطح DC خروجی را تغییر داد. این کار با قرار دادن یک پتانسیومتر میان این دو پایه انجام می‌شود.
  • پایهٔ ۸ به جایی وصل نیست و برای اتصال دو عنصر به عنوان گره به‌کار می‌رود.

تقویت‌کنندهٔ عملیاتی ایده‌آل

  • بهرهٔ ولتاژ بی‌نهایت دارد.
  • مقاومت خروجی صفر دارد.
  • مقاومت ورودی بی‌نهایت دارد.
  • پهنای باند بی‌نهایت دارد.
  • ولتاژ انحراف از میزان ورودی آن صفر است.

درحالی‌که هیچ‌یک از این فرض‌ها با ویژگی‌های تقویت‌کننده عملیاتی واقعی مطابقت کامل ندارد؛ اما نتیجه‌های بدست‌آمده از بررسی مدارهای با مدل ایده‌آل، در بسامدهای پایین به نتیجه‌های واقعی بسیار نزدیک هستند.

تقویت‌کنندهٔ عملیاتی واقعی

تقویت‌کنندهٔ عملیاتی در عمل نمی‌تواند دارای همهٔ خصوصیت‌های یادشده در مورد حالت ایده‌آل آن باشد. چرا که تقویت‌کنندهٔ عملیاتی، خود از به‌هم پیوستن چند طبقهٔ تقویت‌کنندهٔ ترانزیستوری پدید آمده‌است و ناگزیر دارای محدودیت‌هایی در بهرهٔ ولتاژ، مقاومت ورودی، جریان خروجی و … است. گرچه این‌گونه محدودیت‌ها، اساس طراحی‌ها بر مبنای حالت ایده‌آل را برهم نمی‌زنند و فقط نتیجه‌ها را با تقریب روبرو می‌سازند، ولی تقویت‌کنندهٔ عملیاتی خاص با کارایی بالا نیز در بازار یافت می‌شوند که در برخی خصوصیت‌ها به وضعیت ایده‌آل بسیار نزدیک بوده و می‌تواند در طرح‌های ویژه به‌کار گرفته شوند. مثلاً تقویت‌کنندهٔ عملیاتی‌ای ساخته می‌شوند که دارای سرعت زیاد، جریان خروجی زیاد و مقاومت ورودی بزرگ هستند. شناخت محدودیت‌های تقویت‌کنندهٔ عملیاتی واقعی، نه تنها در درک عمیق‌تر عملکرد مدارهای طراحی شده با این تقویت‌کنندهٔ عملیاتی ما را یاری می‌کند، بلکه برای گزینش تقویت‌کنندهٔ عملیاتی مناسب برای یک طرح منظور نیز ضرورت دارد.

معرفی بلوک‌های تشکیل دهنده یک تقویت‌کننده عملیاتی

  • منبع‌های جریان
  • تقویت‌کننده تفاضلی ورودی
  • تقویت‌کننده میانی
  • مدارهای تغییردهندهٔ سطح DC
  • طبقهٔ خروجی (تقویت‌کننده توان که معمولاً یک تقویت‌کننده پوش‌پول است)

مدار داخلی

تقویت‌کننده عملیاتی، بنابه کاربردشان مدارهای متفاوتی دارند. آی‌سی ۷۴۱، جزو ساده‌ترین و ابتدایی‌ترین آپ‌اَمپ‌ها است. مدار داخلی آن شامل:

 
مدار داخلی ۷۴۱
  • بخش آبی‌رنگ: این بخش، طبقهٔ تفاضلی است. ترانزیستورهای Q1 تا Q4 زوج تفاضلی ورودی را تشکیل می‌دهد. Q5 و Q6 و Q7 به همراه سه مقاومت، تشکیل بار فعال می‌دهند.
  • بخش‌های قرمزرنگ: ترانزیستورها در طبقه‌های قرمز، تشکیل منبع‌های جریان می‌دهند و تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری را بایاس می‌کنند. هر سه منبع جریان، از نوع آینه‌ای هستند
  • بخش صورتی‌رنگ: این طبقه، طبقهٔ تقویت‌کننده میانی است. Q۱۵ به عنوان بافر و Q۱۹ با مقاومت ۵۰ اهم در امیتر، یک طبقهٔ امیتر مشترک تشکیل می‌دهد.
  • بخش آبی آسمانی رنگ: طبقهٔ خروجی تقویت‌کننده یا همان تقویت‌کننده توان از ردهٔ AB (یا پوش‌پول) است. علت استفاده از تقویت‌کننده ردهٔ AB در خروجی، تأمین جریان بارهای متنوع در خروجی است.
  • بخش سبزرنگ: این طبقه، «چندبرابرساز ولتاژ بیس-امیتر» نامیده می‌شود و برای جلوگیری از اِعوِجاج هم‌گذری (crossover distortion) استفاده می‌شود. این طبقه، ترانزیستورهای تقویت توان را در آستانهٔ 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 تقویت‌کننده، برای جلوگیری از رانش حرارتی ترانزیستورهای Q۱۴ و Q۲۰ به‌کار گرفته شده‌اند.
  • خازن ۳۰Pf، جبران‌ساز میلر است و در مدار، قطب (pole) پدید می‌آورد تا از ناپایداری و نوسان تقویت‌کننده در بسامدهای بالا جلوگیری کند. (فضایی که یک خازن در مدار مجتمع اشغال می‌کند، چندین برابر فضای اشغالی توسط یک ترانزیستور است. پس در طراحی مدار مجتمع، باید از کمترین تعداد خازن و مقاومت استفاده کرد).

مقاومت‌های ورودی و خروجیCapt1ure

برخلاف تقویت‌کننده عملیاتی ایده‌آل که مقاومت خروجی آن صفر است، تقویت‌کننده عملیاتی واقعی دارای مقاومت خروجی در حدود ۱۰۰ اهم است. (برای تقویت‌کننده‌های عملیاتی 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.

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 *