تقویت کننده عملیاتی یا آپ امپ چیست؟

تقویت کردن سیگنال ها در بسیاری از مدارهای الکترونیکی، یک نقش اساسی ایفا می کند که
می توان آن را به وسیله آپ امپ ها به سادگی پیاده سازی کرد.

قطعا هر شخص در طراحی مدارهای مختلف حداقل یک بار با این تجهیز پرکاربرد رو به رو خواهد شد.

در این نوشتار می خواهیم با معرفی کامل این قطعه و خلاصه ای از انواع مختلف مدارهای Op-amp به آمپلی فایرهای عملیاتی نگاه متفاوت تری داشته باشیم.

با ما همراه باشید!

1# آپ امپ چیست؟ (op-amp)

با افزودن عناصر مداری (مانند مقاومت، خازن، دیود و…) میان ورودی ها و خروجی تقویت کننده عملیاتی، مدارهایی با کاربردهای متنوع به دست آمد که
توانایی انجام عملیات ریاضی مانند جمع، تفریق، ضرب، تقسیم، مشتق و انتگرال را داشتند.

به دلیل همین توانایی در انجام عملیات ریاضی این مدارها را تقویت کننده عملیاتی می نامند.

با استفاده از تقویت کننده عملیاتی در پیاده سازی رایانه های آنالوگ قدیمی بستری مناسب برای حل معادلات دیفرانسیل فراهم شد.

بعد از گذشت 20 سال و تکامل تدریجی این قطعات در سال 1960، نخستین بار تقویت کننده عملیاتی به صورت مدار مجتمع IC طراحی و ساخته شد و
با اندازه و وزن کمتر و قیمت مناسب تر وارد بازار شد.

با پیشرفته تر شدن تکنولوژی و فناوری، کاربرد تقویت کننده های عملیاتی بسیار گسترده تر شد و
به تناسب، عرضه آن نیز رشد چشمگیری پیدا کرد.

2# تعریف Op-Amp

تقویت کننده های Operational amplifier را به اختصار op-amp می نامیم.

این نوع از تقویت کننده ها از ترکیب چندین مقاومت، خازن، دیود و ترانزیستور ساخته می شوند که
توانایی اعمال ضریب تقویت ولتاژ بسیار بزرگی دارند.

تقویت کننده های عملیاتی، دستگاه های خطی با تمام ویژگی های یک تقویت کننده DC هستند و
بلوک های اساسی ساخت مدارهای الکترونیکی آنالوگ محسوب می شوند.

تقویت کننده عملیاتی در حقیقت یک تقویت کننده ولتاژ است که
معمولا دارای دو سر ورودی و یک سر خروجی (به استثنای اتصالات برق) می باشد.

بنابراین اگر به ورودی های یک op-amp اختلاف پتانسیل بسیار کوچکی اعمال شود،
در خروجی آن ولتاژ بسیار بزرگی به وجود می آید.

ولی در عمل، تقویت کننده وارد ناحیه اشباع می شود و به صورت غیر خطی عمل می کند.

این قطعه از یک منبع دوگانه مثبت (V+) و یک منبع منفی متناظر (V-) بهره می برد.

هم چنین یک تقویت کننده عملیاتی می تواند با یک ولتاژ منبع تغذیه تک DC نیز کار کند.

شما می توانید تصویر رایج یک تقویت کننده عملیاتی را در شکل زیر مشاهده کنید.

3# اساس عملکرد تقویت کننده عملیاتی

در یک تقویت کننده عملیاتی پایه ورودی مثبت را در اصطلاح لاتین noninverting (غیر معکوس کننده) و پایه منفی را inverting (معکوس کننده) می گویند.

این قطعه با توجه به وضعیت پایه های ورودی و خروجی دارای شرایط و عملکرد متفاوتی خواهد شد که
در ادامه راجع به این وضعیت ها توضیح خواهیم داد.

هرگاه مقدار ولتاژ اعمال شده به پایه ورودی معکوس کننده بیشتر از ولتاژ اعمالی به پایه ورودی غیر معکوس کننده باشد،
آنگاه خروجی به ولتاژ منبع منفی اشباع می شود.

به عنوان نمونه 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 میل می کند.

هم چنین هرگاه ولتاژ اعمالی به ورودی غیر معکوس کننده بیشتر از ولتاژ اعمالی به ورودی معکوس کننده باشد،
آنگاه خروجی به ولتاژ منبع مثبت اشباع می شود.

قوانین اصلی مرتبط با تقویت کننده عملیاتی این است که:

• دارای یک امپدانس ورودی نامحدود (Z = ∞)
• ولتاژ جبران ورودی صفر V1 = V2
• دارای امپدانس خروجی صفر (Z = 0)
• بهره ولتاژ حلقه باز آن بی نهایت (^–∞ = Av)
• عرض باند آن بی نهایت (∞ = BW)
• زمانیکه اختلاف ولتاژ در ورودی صفر است، ولتاژ خروجی نیز صفر می شود.
  (اختلاف بین ورودی مثبت و منفی را اختلاف ولتاژ می گوییم)
• با تغییرات درجه حرارت، منحنی مشخصه آن تغییر نمی کند.

به تقویت کننده عملیاتی که دارای تمام ویژگی های فوق باشد آپ امپ ایده آل می گوییم.

نکته مهمی که قابل ذکر است دقت به این موضوع می باشد که بین پایه های ورودی و خروجی آپ امپ جریانی وجود ندارد و
این تنها ولتاژ ورودی است که خروجی را کنترل می کند.

البته این ولتاژ خروجی با ولتاژ ورودی دیگر 180 درجه اختلاف فاز دارد.

4# پیکربندی op-amp

در گذشته تقویت کننده های عملیاتی را به کمک لامپ های خلا یا ترانزیستور می ساختند اما
امروزه آپ امپ ها به صورت آی سی برای کاربردهای گوناگون ساخته می شوند.

در یک تقویت کننده عملیاتی معمولی 8 پین (پایه) وجود دارد که به ترتیب زیر است:

• آفست تهی: PIN1
• ورودی معکوس: PIN2
• ورودی غیر معکوس: PIN3
• زمین – سر منفی: PIN4
• آفست تهی: PIN5
• خروجی: PIN6
• منبع ولتاژ مثبت: PIN7
• بدون اتصال: PIN8

آپ امپ 741 یکی از قدیمی ترین و پرکاربردترین انواع op-amp می باشد.

بسیاری از مدل های آپ آمپ از لحاظ پایه با 741 هم خوانی دارند. 

5# انواع آپ امپ

آپ امپ ها را می توان بر اساس نوع ولتاژ ورودی و خروجی به سه دسته زیر تقسیم بندی کرد:

1. دو منبع تغذیه ای
2. تک منبع تغذیه ای
3. ریل تو ریل

1-5# دو منبع تغذیه ای (Dual Supply Op Amps)

از آنجاییکه آپ امپ ها به صورت کلی سینگال های بسیار کوچک نزدیک به صفر را تقویت می کنند زمانیکه
ورودی صفر ولت نیاز داشته باشند باید سر دوم منبع تغذیه (VEE) آن ها را به مقدار -1.5 ولت یا کمتر متصل کنیم.

به همین دلیل برای راه اندازی این نوع آپ امپ به یک منبع تغذیه منفی هم نیاز داریم که
باعث شده اسم این نوع تقویت کننده، دو منبع تغذیه ای باشد.

2-5# تک منبع تغذیه ای (Single Supply Op Amps (Ground Sense))

برخی از آپ امپ ها هستند که مطابق با اسمشان نیازی به منبع تغذیه منفی یا همان منبع دوم را ندارند و
برای راه اندازی کافیست پایه VEE به زمین متصل شود.

3-5# آپ امپ ریل تو ریل (Rail-to-Rail Op Amps (Input/output Full Swing))

آپ امپ ها به صورت معمول اگر به یک منبع تغذیه 5 ولتی متصل شوند تنها می توانند تا 1.5 ولت کمتر از آن را در خروجی ایجاد کنند که
این اتفاق در دنیای امروزی که مصرف بهینه انرژی بسیار مهم شده، اصلا مناسب نیست.

به همین دلیل خانواده سومی از op-amp ها ساخته شدند که توانایی اتصال مستقیم VCC و VEE به حداکثر ولتاژ منبع را دارند و می تواند هر نوسانی در این بازه را عملیاتی کند.

از آنجایی که این نوع تقویت کننده عملیاتی می تواند بین مقادیر مثبت و منفی منبع به صورت کامل نوسان داشته باشد به Input/output Full Swing یا همان نوسانات کامل ورودی/خروجی معروف شده است.

6# کاربرد آپ امپ

تقویت کننده های عملیاتی در پروژه های تحقیقاتی و مصارف صنعتی کاربردهای فراوانی دارند و
می توان آپ امپ را سنگ بنای اکثر مدارات آنالوگ دانست.

همان گونه که از نام این قطعه بر می آید، به کمک این عنصر و المان های جانبی دیگر می توان عملیات ریاضی را به صورت الکترونیکی پیاده سازی کرد.

با توجه به حالت های مختلف بستن مدار ها یک آپ امپ می توان مدارهای زیر را برای کاربردهای گوناکون تقویت کننده های عملیاتی طراحی کرد:

1. تقویت کننده معکوس (Inverting Amplifier)
2. تقویت کننده مستقیم
3. دنبال کننده ولتاژ
4. تقویت کننده ولتاژ به جریان
5. تقویت کننده جریان به ولتاژ
6. مدار نمونه با استفاده از دیود
7. انتگرال گیر
8. مشتق گیر
9. جمع کننده
10. تفریق کننده

7# چند نکته مهم پیرامون استفاده از op-amp

• هرگز تغذیه مثبت و منفی آپ امپ را به صورت معکوس وصل نکنید، زیرا با این کار Op-Amp شما می سوزد.
• تغذیه ورودی های مثبت و منفی باید از مقادیر ورودی در پایه های inverting و noninverting بیشتر باشد.
• سیگنال های ورودی و خروجی را به وسیله خازن های 0.1 تا 1.0 میکروفاراد زمین کنید تا
  از تاثیر نویز در مدار جلوگیری شود.
• آپ امپ های ایده آل باید دارای مقاومت ورودی بالا و در نتیجه جریان ورودی در حد صفر و مقاومت خروجی صفر باشد.
  همچنین در این حالت ولتاژ در ورودی های مثبت و منفی با یکدیگر مساوی هستند.