تقویت‌کننده عملیاتی

چند نوع گوناگون آی‌سی تقویت‌کننده عملیاتی
ایده بکارگیری تقویت‌کننده‌های عملیاتی یا اپ‌امپ (به انگلیسی: op-amp یا Operational amplifier ) نخستین‌بار در دهه ۱۹۴۰م و در مدار رایانه‌های آنالوگ مطرح شد. در این کاربرد با قرار دادن عنصرهای گوناگون میان سرهای ورودی و خروجی تقویت‌کننده عملیاتی مدارهای گوناگون با کارایی‌های متفاوت طراحی می‌شد؛ و به وسیله آن‌ها عملگرهای ریاضی مانند جمع، تفریق، ضرب، تقسیم، مشتق‌گیری و انتگرال‌گیری پیاده می‌شد. بدین ترتیب امکان پیاده‌سازی رایانه‌های آنالوگ (رایانه‌های امروزی دیجیتال هستند) برای حل معادلات دیفرانسیل فراهم گردید. با گسترش دامنه کاربرد الکترونیک، استفاده از تقویت‌کننده عملیاتی نیز گسترش فراوان یافت.
در سال ۱۹۶۰م نخستین‌بار تقویت‌کننده عملیاتی به صورت مدار مجتمع طراحی و ساخته شد و با حجم، وزن و قیمت بمراتب کمتر به بازار مصرف ارائه گردید. پیشرفت فناوری و مطرح شدن نیازهای متنوع‌تر و تخصصی‌تر، زمینه را برای عرضه تقویت‌کننده‌های عملیاتی خاص فراهم کرد.
تقویت‌کننده عملیاتی در واقع یک تقویت‌کننده ولتاژ با بهره ولتاژ بسیار بالاست و معمولا دارای یک سر خروجی و دو سر ورودی است که سرهای ورودی به صورت تفاضلی عمل می‌کنند. به عبارت دیگر، این تقویت‌کننده، اختلاف ولتاژ میان ورودی را تقویت می‌کند. یکی از دو سر، ورودی منفی (-) یا وارونگر نام دارد، زیرا تقویت‌کننده برای ورودی‌های اعمالی به این سر دارای بهره منفی خواهد بود. سر دیگر، ورودی مثبت (+) یا ناوارونگر است و نشانک‌های ورودی به این سر، در خروجی با بهره 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 افزاره فعال است، برای تامین کارمایه مصرفی و پیشقدر ترانزیستورهای داخلی خود به تغذیه DC نیاز دارد.
نماد تقویت‌کننده عملیاتی
پایه‌ها
پایه‌های اپ‌امپ
پایه‌های ۴ و ۷، پایه‌های تغذیه منفی و مثبت آی‌سی می‌باشند.
پایه‌های ۲ و ۳، پایه‌های ورودی وارونگر و ناوارونگر آی‌سی می‌باشند.
پایه ۶، پایه خروجی است.
پایه‌های ۱ و ۵، پایه‌های تغییردهنده سطح DC خروجی آی‌سی می‌باشند که توسط آن‌ها می‌توان سطح DC خروجی را تغییر داد. این کار را می‌توان با قرار دادن یک پتانسیومتر میان این دوپایه انجامید.
پایه ۸ به جایی وصل نیست و برای اتصال دو عنصر به عنوان گره بکار می‌رود.
تقویت‌کننده عملیاتی ایده‌آل
بهره 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 فرض‌های فوق با خواص تقویت‌کننده عملیاتی واقعی مطابقت کامل ندارد؛ اما نتیجه‌های بدست‌آمده از واکاوی مدارهای با مدل آرمانی، در بسامدهای پایین به نتیجه‌های واقعی بسیار نزدیک می‌باشند.
تقویت‌کننده عملیاتی واقعی
در عمل، تقویت‌کننده عملیاتی نمی‌تواند دارای همه خصوصیت‌های یادشده در مورد حالت ایده‌آل آن باشد. چرا که تقویت‌کننده عملیاتی، خود از به‌هم پیوستن چند طبقه تقویت‌کننده ترانزیستوری (در ادامه مطلب اشاره شده است) پدید آمده‌است و ناگزیر دارای محدودیت‌هایی در بهره ولتاژ، مقاومت ورودی، جریان خروجی و … است.
گرچه این‌گونه محدودیت‌ها که در تقویت‌کننده عملیاتی معمولی وجود دارند اساس طراحی‌های انجامیده بر مبنای حالت آرمانی را برهم نمی‌زنند و فقط نتیجه‌ها را با تقریب روبرو می‌سازند، ولی تقویت‌کننده عملیاتی خاص با کارایی بالا نیز در بازار یافت می‌شوند که در برخی خصوصیت‌ها به وضعیت آرمانی بسیار نزدیک بوده و می‌تواند در طرح‌های ویژه بکار گرفته شوند. مثلا تقویت‌کننده عملیاتی‌ای ساخته می‌شوند که دارای سرعت زیاد، جریان خروجی زیاد و مقاومت ورودی بزرگ می‌باشند. شناخت محدودیت‌های تقویت‌کننده عملیاتی واقعی، نه تنها در درک عمیق‌تر عملکرد مدارهای طراحی شده با این تقویت‌کننده عملیاتی ما را یاری می‌کند، بلکه برای گزینش تقویت‌کننده عملیاتی مناسب برای یک طرح منظور نیز ضرورت دارد.
معرفی بلوک‌های تشکیل دهنده یک تقویت‌کننده عملیاتی
منبع‌های جریان
تقویت‌کننده تفاضلی ورودی
تقویت‌کننده میانی
مدارهای تغییردهنده سطح DC
طبقه خروجی (تقویت‌کننده توان که معمولا یک تقویت‌کننده پوش‌پول است)
مدار داخلی
آی‌سی‌های تقویت‌کننده عملیاتی، بنابه کاربردشان دارای مدارهای داخلی متفاوتی می‌باشند.
آی‌سی ۷۴۱، جزو ساده‌ترین و ابتدایی‌ترین اپ‌امپ‌ها می‌باشد. مدار داخلی آن قابل مشاهده می‌باشد.
مدار داخلی ۷۴۱
بخش آبی‌رنگ: این بخش، طبقه تفاضلی است. ترانزیستورهای Q1 تا Q4 زوج تفاضلی ورودی را تشکیل می‌دهد. Q5 و Q6 و Q7 بهمراه سه مقاومت، تشکیل بار فعال می‌دهند.
بخش‌های قرمزرنگ: ترانزیستورها در طبقه‌های قرمز، تشکیل منبع‌های جریان می‌دهند و تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری را پیشقدر می‌کنند. هرسه منبع جریان، از نوع آینه‌ای می‌باشند.
بخش صورتی‌رنگ: این طبقه، طبقه تقویت‌کننده میانی است. Q۱۵ به عنوان بافر و Q۱۹ با مقاومت ۵۰ اهم در امیتر، یک طبقه امیتر مشترک تشکیل می‌دهد.
بخش آبی آسمانی رنگ: طبقه خروجی تقویت‌کننده یا همان تقویت‌کننده توان از رده AB (یا پوش‌پول) می‌باشد. علت استفاده از تقویت‌کننده رده AB در خروجی، تامین جریان بارهای متنوع در خروجی است.
بخش سبزرنگ: این طبقه، «چندبرابرساز ولتاژ بیس-امیتر» نامیده می‌شود و برای جلوگیری از واپیچش همگذری استفاده می‌شود. این طبقه، ترانزیستورهای تقویت توان را در آستانه روشن شدن، نگاه می‌دارد. برای رسیدن به پایداری حرارتی مطلوب، به جای مقاومت ۴٫۵k می‌توان از یک NTC استفاده کرد.
مقاومتهای ۲۵ و ۵۰ اهم در خروجی تقویت‌کننده، جهت جلوگیری از رانش حرارتی ترانزیستورهای Q۱۴ و Q۲۰ بکار گرفته شده‌اند.
خازن ۳۰Pf، جبرانساز میلر است و در مدار قطب پدیدمی‌آورد که به منظور جلوگیری از ناپایداری و نوسان تقویت‌کننده در بسامدهای بالا مورد استفاده قرار گرفته‌است. (فضایی که یک خازن در مدار مجتمع اشغال می‌کند، چندین برابر فضای اشغالی توسط یک ترانزیستور است. پس در طراحی مدار مجتمع، باید از کمینه خازن و مقاومت استفاده کرد)
سرعت تغییرات خروجی (Slew Rate)
تعریف
سرعت تغییر ولتاژ خروجی تقویت‌کننده عملیاتی محدود است. بعبارت دیگر، اگر به ورودی یک تقویت‌کننده عملیاتی شکل‌موج پله‌ای داده شود، خروجی شکل‌موج پله نخواهد داشت. بلکه افزایش ولتاژ خروجی با شیب معینی صورت می‌گیرد. این پراسنجه توسط بیشینه جریان شارژکننده خازن جبرانساز C تعیین می‌شود. زیرا افزایش ولتاژ خروجی، مستلزم افزایش ولتاژ خروجی طبقه تقویت‌کننده میانی است که از طریق شارژ خازن C انجام می‌گیرد. بیشینه شیب تغییرهای ولتاژ خروجی را با یک پراسنجه به نام SR مشخص می‌نمایند.
قرمز: شکل‌موج ورودی سبز: شکل‌موج خروجی
اندازه‌گیری Slew Rate
برای اندازه‌گیری Slew Rate می‌توان از یک «فانکشن ژنراتور» در حالت موج مربعی و یک نوسان‌نما استفاده کرد.
Slew Rate برای حالت با بازخورد و بدون بازخورد یکسان است.
این پراسنجه 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.
پهنای باند بهره واحد
در یک تقویت‌کننده عملیاتی واقعی، نه تنها بهره ولتاژ حلقه-باز محدود است بلکه این مقدار نیز تا فرکانس حدود میان ۱۰Hz تا 1KHz ثابت است و پس از آن کاهش می‌یابد. این کاهش بمیزان 20dB/dec با افزایش فرکانس ادامه می‌یابد.
پهنای باند بهره واحد در تقویت‌کننده‌های عملیاتی معمولی حدود ۱MHz است. در تقویت‌کننده‌های عملیاتی سریع مقدار این پراسنجه ممکن است به بیش از چند ده مگاهرتز نیز برسد.
مقاومتهای ورودی و خروجی
مقاومتهای داخلی تقویت‌کننده عملیاتی
برخلاف تقویت‌کننده عملیاتی آرمانی که مقاومت خروجی آن را صفر در نظر گرفتیم، تقویت‌کننده عملیاتی واقعی دارای یک مقاومت خروجی در حدود ۱۰۰ اهم می‌باشد. (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.
تاثیر قابل توجه این مقاومت در پاگیرایی خروجی مدار وقتی ظاهر می‌شود که محدودیت عرض باند را در نظر بگیریم.
تقویت‌کننده عملیاتی به عنوان مقایسه‌گر (اپ‌امپ بدون بازخورد)
چپ
هنگامی که ولتاژ پایه مثبت (ناوارونگر) از ولتاژ پایه منفی (وارونگر) بیشتر باشد، خروجی اپ‌امپ، برابر با تغذیه مثبت می‌شود (تغذیه مثبت در خروجی ظاهر می‌شود) و هنگامی که ولتاژ پایه مثبت (ناوارونگر) از ولتاژ پایه منفی (وارونگر) کمتر باشد، خروجی اپ‌امپ، برابر با تغذیه منفی می‌شود (تغذیه منفی در خروجی ظاهر می‌شود) به رابطه‌ها توجه کنید.
کاربردهای تقویت‌کننده
تقویت‌کننده ناوارونگر
تقویت‌کننده ناوارونگر
V_{\text{out
V_{\text{in (1 + \frac{R_2{R_1)
تقویت‌کننده وارونگر و توانمند
تقویت‌کننده وارونگر
V_{\text{out
\approx - V_{\text{in \frac{R_{\text{f{R_{\text{in
ساخت بافر به کمک اپ‌امپ
بافر
در این حالت، بهره ولتاژ، برابر یک است. مقاومت ورودی این مدار با توجه به صفر بودن جریان ورودی سر مثبت، برابر بینهایت است.
ملاحظه می‌شود که تقویت‌کننده مذکور، همه شرایط یک بافر را داراست (بهره ولتاژ یک، مقاومت ورودی بینهایت و مقاومت خروجی صفر) و به همین دلیل در بسیاری از کاربردها به عنوان یک مدار بافر تقریبا آرمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مدار را «ولتاژ-پیرو» نیز می‌نامند؛ زیرا ولتاژ خروجی آن همواره ولتاژ ورودی را دنبال می‌کند.
ساخت جمع‌کننده به کمک اپ‌امپ
جمعگر با بهره منفی
هریک از تقویت‌کننده‌های با بهره منفی یا مثبت را با افزودن چند مقاومت در ورودی مطابق شکل می‌توان به مدار جمع‌کننده تبدیل کرد با تعویض سرهای + و – بهره مثبت می‌شود.
تقویت‌کننده تفاضلی
تقویت‌کننده تفاضلی
منظور از تقویت‌کننده تفاضلی، تقویت‌کننده‌ای است که در خروجی آن تفاضل دو ترمینال ورودی با بهره معینی ظاهر می‌شود.
در تقویت‌کننده‌های تفاضلی، معمولا مقدار متوسط ترمینال‌های ورودی نیز تقویت شده و به صورت یک مولفه ناخواسته در خروجی ظاهر می‌شود. در یک تقویت‌کننده تفاضلی ایده‌آل این مولفه در خروجی صفر است.
مدار انتگرالگیر
انتگرال‌گیر
این مدار، شکل‌موج مربعی را به شکل‌موج دندانه‌اره‌ای تبدیل می‌کند و در نوسان‌نما کاربرد دارد. البته درعمل باید به موازات خازن c یک مقاومت بزرگ قرار داد تا بازخورد از دیدگاه DC برقرار باشد.
مدار مشتقگیر
مشتقگیر
کاربردهای ناخطی (لگاریتمی و پاد-لگاریتمی (نمایی))
تقویت‌کننده لگاریتمی
لگاریتمی
جریان اشباع معکوس
در دمای اتاق (۲۵ درجه سلسیوس) برابر ۲۶ میلی‌ولت است.
تقویت‌کننده پاد-لگاریتمی(نمایی)
نمایی)
جریان اشباع معکوس
در دمای اتاق (۲۵ درجه سلسیوس) برابر ۲۶ میلی‌ولت است.
کاربرد اپ‌امپ در طراحی پالایه‌های فعال
از اپ‌امپ می‌توان در ساخت پالایه‌های مانسته فعال استفاده کرد.
نمونه‌ای از این دست، پالایه را در ذیل می‌بینید.
پالایه بالاگذر از نوع سالن کی
اپ‌امپ با بازخورد مثبت
هنگامی که پایه خروجی بطریقی به ورودی ناوارونگر وصل باشد، مدار کاربرد تقویت‌کننده‌ای ندارد.
با این روش می‌توان مدارهای نظیر تکپایا، ناپایا، دوپایای و اشمیت‌تریگر ساخت.
بازخورد مثبت
اشمیت‌تریگر با اپ‌امپ
از اپ‌امپ در ساخت اشمیت‌تریگر نیز استفاده می‌شود. به شکل‌های زیر دقت کنید.
اشمیت‌تریگر با اپ‌امپ
منحنی پسماند
تنظیم‌گر با تقویت‌کننده عملیاتی
تنظیم‌گر با تقویت‌کننده عملیاتی
گرچه استفاده از تنظیم‌گرهای ولتاژ ساده در بسیاری از سامانه‌های الکترونیکی ارزانقیمت متداول است، ولی در منبع‌های تغذیهی تجاری که تنظیم ولتاژ، بهتر و دقیق‌تر و نیز ولتاژ خروجی تغییرپذیر ملزوم است.
ژیراتور
ژیراتور و مدار معادل تقریبی
در طراحی پالایه‌های نافعال، به دلیل استفاده از القاگر، مدارها بسیار سنگین، بزرگ و گران می‌شوند و دارای تلفات نیز می‌باشند. به همین دلیل، استفاده از پالایه‌های فعال که در آن از القاگر استفاده نمی‌شود، دارای مزیت می‌باشد. یکی از انواع پالایه‌های فعال، پالایه‌ای است که در آن از ژیراتور استفاده می‌شود. در این روش، ابتدا پالایه نافعال را سنتز کرده سپس به جای القاگر از ژیراتور که ترکیبی از مقاومت و خازن و تقویت‌کننده عملیاتی است، را جایگزین می‌کنیم.
مبدل پاگیرایی منفی
مبدل پاگیرایی منفی
منظور از مبدل پاگیرایی منفی، مداری است که بتواند با استفاده از مقاومت‌های معمولی در دو سر ورودی خود یک مقاومت منفی ایجاد کند. در مدار شکل روبرو می‌توان نمایاند که نسبت به یک عدد منفی است. به عبارت دیگر، از سر ورودی مثبت، مدار دارای مقاوت منفی است.
واکاوی مدار روبرو:
به دلیل استفاده از بازخورد منفی و برابری ولتاژ پایه‌های ورودی، و تقسیم ولتاژ داریم:
با نوشتن فرمول جریان، و جایگزینی رابطه نخست داریم:
مقاومت ورودی، همان نسبت ولتاژ منبع نشانک به جریان ورودی است.
بنابراین مقاومت ورودی یک مقاومت منفی است.
برای داشتن پاگیرایی منفی، می‌توان به جای مقاومت از القاگر یا خازن استفاده کرد.
از مبدل مقاومت منفی می‌توان در طراحی منبع جریان آرمانی با تقویت‌کننده عملیاتی استفاده کرد.
یکسوساز دقیق
یکسوساز دقیق
با استفاده از تقویت‌کننده عملیاتی و دیود می‌توان یک، یکسوساز تقریبا ایده‌آل ساخت. در مدار یکسوساز دقیق ولتاژ ورودی به جای آنکه مستقیما به دیود وصل شود از طریق یک آپ امپ به آن وصل می‌شود. یعنی ورودی به سر ورودی مثبت آپ امپ و خروجی آپ امپ نیز بعد از اتصال به دیود با یک فیدبک منفی به سر ورودی منفی آپ امپ وصل می‌شود؛ بنابراین هنگامی که ولتاژ ورودی کوچک‌تر از صفر باشد دیود خاموش است و بازخورد منفی برقرار نمی‌شود پس ولتاژ خروجی صفر است؛ و هنگامی که ولتاژ ورودی بزرگ‌تر از صفر باشد دیود روشن می‌شود بازخورد منفی برقرار می‌شود و ولتاژ خروجی، برابر ولتاژ ورودی می‌شود. در نتیجه اگر دیود روشن باشد ولتاژ خروجی تنها به مقدار بسیار بسیار ناچیزی از ولتاژ ورودی کمتر خواهد بود (به اندازه ولتاژ دیود تقسیم بر بهره حلقه باز آپ امپ). زیرا ولتاژ دو سر ورودی آپ امپ تقریبا برابر است.
این یکسوساز، نیم‌موج است.
یکسوساز دقیق بهبودیافته
یکسوساز دقیق بهبودیافته
در این مدار، چون خروجی تقویت‌کننده عملیاتی به اشباع مثبت و منفی نمی‌رود، نرخ شیب (Slew Rate) خود را خیلی کم می‌نمایاند و از مدار پیشین، کیفیت بهتری دارد. (گرچه این مدار در بسامدهای بالا Slew Rate خوبی از خود نمی‌نمایاند ولی از مدار پیشین بهتر است)
رایانه‌ی مانسته
رایانه‌ی مانسته به عنوان یک ابزار دقیق، قادراست رفتار یک سامانه فیزیکی که به صورت یک مجموعه معادله‌های دیفرانسیل و انتگرال توصیف‌پذیر باشد را پیش‌بینی و شبیه‌سازی نماید. برنامه‌نویسی چنین رایانهای، عبارتست از بکارگیری عده‌ای تقویت‌کننده عملیاتی برای انجام عملیاتی که در معادله‌های توصیفگر سامانه مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
یک رایانه‌ی مانسته واقعی، علاوه بر تقویت‌کننده عملیاتی شامل مقاومتها و خازنهای دقیق، مولد شکل‌موج‌های گوناگون برای تامین ورودی‌های گوناگون، وسیله‌هایی برای اعمال شرایط اولیه، پتانسیومتر دقیق برای وارد نمودن ثابت‌های تغییرپذیر، کلیدهایی برای واپایش عملیات، نوسان‌نما جهت نمایش خروجی و یک صفحه اتصال‌ها، جهت بهم بستن قطعه‌های گوناگون موجود در برنامه است.
در مدارهای رایانه‌ی مانسته معمولا از مشتقگیر استفاده نمی‌شود، زیرا اغتشاش که در همه وسایل الکترونیکی وجود دارد، دارای تغییرات زمانی زیاد (مشتق بزرگ) است درحالیکه انتگرال آن در طول زمان معمولا صفر می‌شود؛ بنابراین سعی می‌شود طراحی بر مبنای انتگرالگیر انجام شود.
یک کاربر ماهر می‌تواند به کمک رایانه‌ی مانسته یک سامانه فیزیکی را دقیقا شبیه‌سازی کند.
چند تقویت‌کننده عملیاتی پرکاربرد
LM324: این آی‌سی، محبوب‌ترین آی‌سی برای مدارهای ربات مسیریاب است. این آی‌سی، حاوی چهار عدد اپ‌امپ (DUAL AP-AMP) است. این اپ‌امپ‌ها برای مقایسه ولتاژهای ایجادی از حسگرها بکار می‌روند.
ULN2803: آی‌سی ULN2803، حاوی میانگیر NOT است. پایه ۹ آن تغذیه منفی و پایه ۱۸ آن تغذیه مثبت است. جریان خروجی آن درحدود ۵۰۰ میلی‌آمپر است. این آی‌سی بیشتر برای درایو کردن موتور پله‌ای و در پروژه‌های ربات مسیریاب مورد استفاده قرار می‌گیرد.
TL022CP: این آی‌سی، یک اپ‌امپ شامل دو تقویت‌کننده کم‌مصرف می‌باشد. از خصوصیت‌های این تراشه، پاگیرایی ورودی بالا و جریان تغذیه کم می‌باشد.
LM358N: این آی‌سی، یک اپ‌امپ شامل دو تقویت‌کننده با مصرف پایین و بهره بالا می‌باشد.
ژیراتور
ماخذها
ویکی‌پدیا اسپانیایی
ویکی‌پدیا لهستانی