موضوع مقاله: تقویت‌کننده عملیاتی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # تقویت‌کننده عملیاتی | مقدمه: ورودی‌ها تفاضلی عمل می‌کنند، یعنی این تقویت‌کننده، تنها اختلاف ولتاژ ورودی‌ها را تقویت می‌کند. | ## بخش 1: تقویت‌کننده عملیاتی | یکی از دو ورودی، ورودی منفی (-) یا وارون‌گر نام دارد، زیرا بهرهٔ تقویت‌کننده برای سیگنال واردشده به این ورودی، منفی است. ورودی دیگر، ورودی مثبت (+) یا ناوارون‌گر است که سیگنال واردشده به آن، در خروجی با بهرهٔ مثبت ظاهر می‌شود. این تقویت‌کننده، مقاومت خروجی بسیار کم (حدود چند اهم)، و مقاومت ورودی بسیار زیاد (بیش از چند صد کیلو اهم) دارد. چون تقویت‌کننده عملیاتی، یک افزارهٔ فعال است، برای تأمین انرژی مصرفی و بایاس ترانزیستورهای خود به تغذیهٔ مستقیم نیاز دارد.کتاب مبانی الکترونیک، نویسنده: دکترسیدعلی میرعشقی، انتشارات: نشر شیخ‌بهایی، صفحهٔ ۱ ایدهٔ تقویت‌کننده عملیاتی نخستین‌بار در دههٔ ۱۹۴۰ و در رایانه‌های آنالوگ مطرح شد؛ با قرار دادن عناصر مداری (مقاومت، خازن، دیود، ...) میان ورودی‌ها و خروجی تقویت‌کننده عملیاتی، مدارهایی با کاربردهای گوناگون به دست می‌آمد که با آن‌ها، عملیات ریاضی جمع، تفریق، ضرب، تقسیم، مشتق، و انتگرال پیاده می‌شد. بدین ترتیب، پیاده‌سازی رایانه‌های آنالوگ برای حل معادلات دیفرانسیل فراهم می‌شد.معرفی آپ امپ (تقویت‌کننده عملیاتی)، با گسترش کاربردهای الکترونیک، استفاده از تقویت‌کننده عملیاتی نیز بسیار گسترده‌شد. ۱۹۶۰، نخستین بار تقویت‌کننده عملیاتی به صورت مدار مجتمع طراحی و ساخته شد، و با اندازه و وزن کم، و ارزان‌، وارد بازار شد. ۱ و ۵، برای از بین بردن (صفر کردن) اختلاف ولتاژ پایه‌های ورودی هستند (هنگامی که ورودی، هنوز اِعمال نشده‌است). برای این کار، هر یک از این پایه‌ها را به سر وسط یک پتانسیومتر وصل کرده، با تغییر دادن پتانسیومترها، اختلاف ولتاژ دو ورودی به صفر رسانده می‌شود. هیچ‌یک از این فرض‌ها با ویژگی‌های تقویت‌کننده عملیاتی واقعی مطابقت کامل ندارد، اما در فرکانس‌های کم، مدل ایده‌آل به مدل واقعی، نزدیک است. تقویت‌کنندهٔ عملیاتی واقعی تقویت‌کنندهٔ عملیاتی، در عمل نمی‌تواند دارای همهٔ خصوصیت‌های مدل ایده‌آل باشد. چرا که تقویت‌کنندهٔ عملیاتی، خود از به‌هم پیوستن چند طبق تقویت‌کنندهٔ ترانزیستوری ساخته می‌شود و ناگزیر محدودیت‌هایی در بهرهٔ ولتاژ، مقاومت ورودی و جریان خروجی و … دارد. گرچه این محدودیت‌ها، اساس طراحی‌ها بر مبنای مدل ایده‌آل را برهم نمی‌زنند و تنها نتیجه‌ها را تقریبی می‌کنند، تقویت‌کننده‌های عملیاتی با کارایی بالا نیز یافت می‌شوند که در برخی خصوصیت‌ها، به مدل ایده‌آل بسیار نزدیک بوده و می‌توانند در طرح‌های ویژه به‌کار گرفته شوند. مثلاً تقویت‌کنندهٔ عملیاتی‌ای ساخته می‌شوند که دارای سرعت زیاد، جریان خروجی زیاد و مقاومت ورودی زیاد هستند. شناخت محدودیت‌های تقویت‌کنندهٔ عملیاتی واقعی، نه تنها به درک عمیق‌تر عملکرد مدارهای طراحی شده با آن کمک می‌کند، بلکه برای گزینش تقویت‌کنندهٔ عملیاتی مناسب نیز ضروری است. بخش‌های تقویت‌کننده عملیاتی منبع‌های جریان تقویت‌کننده تفاضلی ورودی تقویت‌کننده میانی مدارهای تغییردهندهٔ سطح DC (تصحیح‌کننده آفست ورودی) طبقهٔ خروجی (تقویت‌کننده توان که معمولاً یک تقویت‌کنندهٔ کلاس AB است) مدار داخلی تقویت‌کننده عملیاتی، بنا به کاربردشان، مدارهای متفاوتی دارند. قرمز: منبع‌های جریان را شکل می‌دهند تا تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری را بایاس کنند. | ## بخش 2: تقویت‌کننده عملیاتی | این طبقه، جریان بار در خروجی را تأمین می‌کند سبز: چندبرابرساز ولتاژ بیس-امیتر، و برای جلوگیری از اِعوِجاج گذر است. مقاومت‌های ۲۵ و ۵۰ اهم در خروجی تقویت‌کننده، برای جلوگیری از رانش حرارتی ترانزیستورهای Q۱۴ و Q۲۰ به‌کار رفته‌اند. خازن ۳۰Pf، جبران‌ساز میلر است و در مدار، قطب پدید می‌آورد تا از ناپایداری و نوسان تقویت‌کننده در بسامدهای زیاد جلوگیری کند. 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. زیرا افزایش خروجی، مستلزم افزایش خروجی طبقهٔ تقویت‌کننده میانی است که با شارژ خازن انجام می‌گیرد. این پارامتر برای تقویت‌کننده‌های عملیاتی معمولی حدود چند ولت بر میکروثانیه بوده و برای تقویت‌کننده‌های عملیاتی با کارایی زیاد، می‌تواند از ۱۰۰ ولت بر میکروثانیه نیز بیشتر باشد. پهنای‌باند بهره واحد در یک تقویت‌کننده عملیاتی واقعی، نه تنها بهرهٔ ولتاژ حلقه-باز محدود است بلکه تنها از ۱۰ Hz تا 1KHz ثابت است و پس از آن کاهش می‌یابد. البته با استفاده از تقویت‌کننده عملیاتی و مقاومت‌های، مقاومت خروجی مدار کمتر خواهد بود. در این حالت، مقاومت خروجی تقویت‌کننده عملیاتی در مدار نقش چندانی ندارد و می‌شود از آن صرف نظر کرد. اثر قابل توجه این مقاومت در امپدانس خروجی مدار وقتی ظاهر می‌شود که محدودیت عرض باند هم در نظر گرفته‌شود. اگر ولتاژ پایهٔ مثبت (ناوارون‌گر) از ولتاژ پایهٔ منفی (وارون‌گر) کمتر باشد، ولتاژ خروجی آپ‌امپ، برابر با تغذیهٔ منفی می‌شود (تغذیهٔ منفی در خروجی ظاهر می‌شود). این مدار، همهٔ شرایط یک بافر را داراست (بهرهٔ ولتاژ یک، مقاومت ورودی بسیار زیاد و مقاومت خروجی صفر) و مانند یک بافر تقریباً ایده‌آل است. این مدار را «ولتاژ-پیرو» نیز می‌نامند؛ زیرا ولتاژ خروجی آن همواره ولتاژ ورودی را دنبال می‌کند. در تقویت‌کننده‌های تفاضلی، معمولاً متوسط ترمینال‌های ورودی نیز تقویت شده و به صورت یک مؤلفهٔ ناخواسته در خروجی ظاهر می‌شود. البته در عمل باید یک خازن را با مقاومت بزرگ موازی کرد تا بازخورد DC برقرار باشد. کاربرد آپ‌امپ در طراحی فیلترهای فعال از آپ‌امپ می‌توان در ساخت فیلترهای فعال استفاده کرد. | ## بخش 3: تقویت‌کننده عملیاتی | یکی از انواع فیلترهای فعال، فیلتری است که ژیراتور دارد؛ ابتدا فیلتر نافعال،طراحی و پیاده شده، سپس ژیراتور، که ترکیبی از مقاومت و خازن و تقویت‌کنندهٔ عملیاتی است، جای‌گزین القاگر می‌شود. در این مدار، با بازخورد منفی و برابری ولتاژ پایه‌های ورودی و تقسیم ولتاژ: با نوشتن رابطهٔ جریان، و جای‌گزینی رابطهٔ نخست: مقاومت ورودی، نسبت ولتاژ منبع سیگنال به جریان ورودی است. از تبدیل‌گر مقاومت منفی، در طراحی منبع جریان ایده‌آل با تقویت‌کنندهٔ عملیاتی استفاده می‌شود. در مدار یک‌سوساز دقیق، به‌جای‌آن‌که ورودی مستقیم 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 بازخورد منفی برقرار نمی‌شود، پس خروجی صفر است. اگر ورودی مثبت باشد، دیود روشن می‌شود و بازخورد منفی برقرار، 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.فیلم آموزش نحوه عملکرد یکسوساز دقیق، این یک‌سوساز، نیم‌موج است. (گرچه این مدار در بسامدهای بالا، نرخ چرخش خوبی ندارد، از مدار پیشین بهتر است.) رایانهٔ آنالوگ رایانهٔ آنالوگ، یک ابزار دقیق است که رفتار یک سامانهٔ فیزیکی را، که مجموعه‌ای از معادله‌های دیفرانسیل و انتگرال است، شبیه‌سازی کند. برنامه‌نویسی چنین رایانه‌ای، به‌کارگیری چند تقویت‌کنندهٔ عملیاتی برای عملیات ریاضی در معادله‌های توصیف‌کننده سامانه است. یک رایانهٔ آنالوگ واقعی، علاوه بر تقویت‌کنندهٔ عملیاتی شامل مقاومت‌ها و خازن‌های دقیق، مولد شکل‌موج‌های گوناگون برای تأمین ورودی‌های گوناگون، وسیله‌هایی برای اعمال شرایط اولیه، پتانسیومتر دقیق برای واردکردن ثابت‌های تغییرپذیر، کلیدهایی برای کنترل عملیات، نوسان‌نما برای نمایش خروجی و یک بُرد مدار، برای به‌هم بستن قطعه‌های گوناگون برنامه است. در مدارهای رایانهٔ آنالوگ معمولاً از مشتق‌گیر استفاده نمی‌شود، زیرا نویز، دارای تغییرات زمانی زیاد (مشتق بزرگ) است درحالی‌که انتگرال آن در یک بازه، به صفر نزدیک است؛ بنابراین طراحی بر مبنای انتگرال‌گیر انجام می‌شود. چند تقویت‌کنندهٔ عملیاتی پُرکاربرد LM324: محبوب‌ترین آی‌سی برای مدارهای ربات مسیریاب است. این آی‌سی بیشتر برای درایو کردن موتور پله‌ای در ربات‌های مسیریاب استفاده می‌شود. | ## جمع‌بندی | TL022CP: یک آپ‌اَمپ شامل تقویت‌کنندهٔ کم‌مصرف با امپدانس ورودی بالا و جریان تغذیهٔ کم است.