آشنایی با تقویت کننده های عملیاتی (Opamp)

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 می توان کنترل نمود.

نمونه ای از تقویت کننده های عملیاتی


این تقویت کننده ها اکثراً در مدارات خطی بکار می

روند و اغلب در مدارات غیرخطی نیز از آنها استفاده می شود. یک تقویت کننده عملیاتی

ایده آل بایستی شرایط زیر را دارا باشد.



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

2) مقاومت خروجی آن صفر باشد (Ro= O).

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

4) عرض باند آن بی نهایت باشد (BW= ∞).

5) هنگامی که اختلاف ولتاژ در ورودی صفر است، ولتاژ خروجی نیز صفر باشد.

6) منحنی مشخصه آن با درجه حرارت تغییر نکند.

تقویت کننده های عملیاتی اکثراً بصورت مدار مجتمع ساخته می شوند.

اتصالات تغذیه تقویت کننده های عملیاتی

تغذیه دوبل

برای استفاده از رنج کامل تقویت کننده های عملیاتی، بایستی این تقویت کننده ها با دو منبع تغذیه با یاس شوند، که این عمل معمولاً با استفاده از دو منبع تغذیه مجزا صورت می گیرد. ولتاژ منبع اول نسبت به زمین (GND) برابر +VBB بوده در حالیکه ولتاژ منبع دوم نسبت به زمین برابر –VBB می باشد که غالباً مقدار این ولتاژها +15 ولت و -15 ولت انتخاب می شود.

معمولاً تقویت کننده های عملیاتی جهت تغذیه دو پایه دارند، چون زمین به تقویت کننده عملیاتی وصل نمی شود و فقط ولتاژهای +VBB و –VBB به تقویت کننده عملیاتی متصل می شود. ولی با وجود این تمام اتصالاتی که بایستی زمین (GND) شوند، به نقطه بین دو منبع تغذیه زمین وصل می گردند.

همچنین هر تقویت کننده عملیاتی دو ورودی دارد؛ یکی ورودی مثبت که با V+ و دیگری ورودی منفی که با V

تقویت کننده های عملیاتی

تقویت کننده های عملیاتی به اختصار آپ امپ نامیده می شو ند.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 عملیا تی ورودی تفاضلی و بهره بسیار زیاد است.



این المان الکترونیکی اختلاف میان ولتاژهای ورودی در پای های مثبت و منفی را در خروجی با تقویت بسیار با لایی 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.



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 noninverting 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 راجب 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 5 ولت باشد و ورودی پایه منفی دارای ولتاژی بزرگتر از ورودی پایه مثبت باشد.خروجی به سمت منفی 5 ولت به اشباع می رود.





اگر inverting < noninverting باشد.خروجی به سمت مثبت VSS اشباع می شود.مثلا اگر تغذیه آیسی 5 ولت باشد.و ورودی پایه مثبت دارای ولتاژی بزرگتر از پایه منفی باشد.خروجی به سمت مثبت 5 ولت به اشباع می رود.به شکل توجه کنید این شکل گویای همه مطالب است.همانطور که مشاهده می کنید.،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.



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 توانید میزان تقویت ولتاژ های ورودی در خروجی را تعیین کنید.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 توانید. میزان تقویت یا گین(gain) را در این نوع از فیدبک به راحتی محاسبه کنید.



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.



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.









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 توانید از پتانسیومتر جهت تعیین ولتاژ* Vref و تنظیم آن به صورت دلخواه استفاده کنید.









تقویت کننده مستقیم (noninverting amplifier)





در این حالت ورودی منفی یا inverting توسط مقاومت R1 زمین می شو د.و فیدک 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 شما بایستی از دو باطری یا از یک منبع تغذیه دوتایی مثبت و منفی استفاده کنید.

در لینک زیر می توانید.یک مدار ساده تغذیه دوبل را تجربه کنید.

تغذیه دوبل 5 ولت



نکاتی راجب به Op-Amp



هیچگاه تغذیه مثبت و منفی آپ و امپ را به صورت معکوس وصل نکنید.،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 1.0ufتا 0.1uf زمین کنید تا از تاثیر نویز در مدار خود جلوگیری کنید.



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.

آیا می*دانید Ic ( آی سی) چی

حروف اختصاری IC از دو کلمه انگلیسی integrated circuit به معنی مدار مجتمع گرفته شده است. پیش از اخترا ع IC ،مدارهای الکترونیکی ازتعداد زیادی قطعه یا المان الکتریکی تشکیل می*شدند. این مدارات فضای زیادی را اشغال می*کردند و توان الکتریکی بالایی نیز مصرف می*کردند. و این، امکان بوجود آمدن نقص و عیب در مدار را افزایش می*داد. همچنین سرعت پایینی هم داشتند. IC ، تعداد زیادی عناصر الکتریکی را که بیشتر آنها ترانزیستور هستند، در یک فضای کوچک درون خود جای داده است و همین پدیده است که باعث شده امروزه دستگاه*های الکترونیکی کاربرد چشمگیری در همه جا و در همه زمینه*ها داشته باشند.



آیا تا کنون کلمه مدارات مجتمع را شننیده اید؟ آیا هیچ آگاهی در مورد آن دارید؟ در این پست اطلاعاتی در این رابطه به شما عزیزان ارائه خواهیم داد.

مدار های دیجیتال با مدارهای مجتمع ساخته می شوند. یک مدار مجتمع ( یا آی سی ) یک کریستال کوچک نیمه هادی به نام تراشه است. که قطعات الکترونیکی را برای گیت های دیجیتال در خود دارد. اتصالات داخل تراشه مدار مورد نیاز را به وجود می آورند. تراشه در داخل یک محفظه پلاستیک و یا سرامیک جاسازی می شود. و اتصالات آن با سیم های طلایی نازک به پایه های خارجی جوش داده می شود تا مدارات مجتمع به وجود آیند.

تعداد پایه ها ممکن است از 14 پایه در بسته های کوچک تا 100 پایه یا بیشتر در بسته های بزرگتر تغییر کند. هر مدار مشترک یا آی سی دارای یک مشخصه عددی ست که روی سطح بسته بندی آن برای شناسایی چاپ میشود. هر سازنده یک کتابچه راهنما یا کاتالوگ با شرح دقیق و تمام اطلاعات لازم در باره آی سی های ساخت خود را چاپ می کند.



باپیشرفت تکنولوژی مدار های مجتمع تعداد گیت هایی که می تووانست در یک تراشه جای گیرد به میزان قابل توجه ای افزایش یافت. تراشه هایی که دارای چند گیت داخلی بودند و آن دسته که چند صد گیت دارا بودند در بسته هایی با ظرفیت یا مقیاس کوچک متوسط یا بزرک جای داده شده اند.

مدار های مجتمع با مقیاس کوچک (ssi) دارای چند گیت مستقل در یک بسته واحد هستند. ورودی ها و خروجی های گیت ها مستقیما به پایه های بسته متصل اند. تعداد گیت ها معمولا کمتر از 10 و محدود به تعداد پایه ها در آی سی می باشند.

قطعات مجتمع با مقیاس متوسط (msi) دارای تقریبا 10 الی 200 گیت در هر بسته می باشند. این وسیله ها معمولا توابع دیجیتال ساده همچون دیکدر ها - جمع کننده ها و ثبات ها را اجرا می نمایند.

مدار ها یا وسایل مجتمع با مقیاس بزرگ (lsi) بین 200 تا چند هزار گیت در هر بسته دارند. این بسته ها سیستم های دیجیتالی همچون پردازنده ها- تراشه های حافظه و ماژول های قابل بر نامه ریزی را شامل می شوند.

قطعات مجتمع با مقیاس بسیار بزرگ (vlsi) حاوی هزاران گیت در یک بسته اند. مثال هایی از این گروه عبارتند از آرایه های بزرگ حافظه/ تراشه های پیچیده ریز کامپیو تر ها. Vlsi ها به دلیل کوچکی و ارزانی انقلابی در تکنولوژی ساجت سیستم ها کامپیو تری به وجود آورده و به طراحان امکان ساخت و ایجاد ساختار هایی را دادند که قبلا اقتصادی نبودند.



مدار های مجتمع نه تنها بر اساس عملکرد منطقی شان طبقه بندی می شوند بلکه از نظر تکنولوژی خاص مدار هایی که به آن تعلق دارند نیز دسته بندی می گردند. تکنولوژی به کار رفته در مدار را خانواده منطقی دیجیتال می خوانند. هر خانواده منطقی مدار الکترونیکی پایه خاصی را داراست که مدار ها و و توابع دیجیتال پیچیده تر بر اساس آن تهیه می شوند.

مدار پایه در هر تکنولوژی یک گیت Nand/nor و یا معکوس کننده است.

در نام گذاری تکنولوژی ار قطعات الکترونیکی به کار رفته در ساخت مدار پایه معمولا استفاده می شود. بسیاری از خانواده های مختلف منطقی به صورت مدار های مجنمع در سطح تجاری عرضه شده اند. متداول ترین خانواده ها در زیر معرفی شده اند:

Ttl-منطق ترانزیستور -ترانزیستور

Ecl-منطق کوپل امیتر

Mos-منطق فلز- اکسید- نیمه هادی

Cmos-منطق فلز - اکسید - نیمه هادی

منبع:سایت اشتهارد