تقویت کننده با آپ امپ (Op amp Amplifier)
طراحی سیستم های الکترونیکی (پیاده سازی ایده های نوآوارنه و خلاقانه)
AVR - ARM -ALTIUM
جهت برون سپاری و اجرای صفر تا صد طرح ها و ایده ها خود و دریافت تمامی اطلاعات فنی در انتهای پروژه با آلیا الکترونیک در ارتباط باشید.
منظور از تقویت کننده چیست ؟
در اصطلاح لغتی تقویت کننده به معنی افزایش دادن یا بیشتر کردن هست . در زمینه الکترونیک زمانی که حرف از تقویت کننده ها میشه هدف افزایش سیگنال الکتریکی هست . در ادامه با واژگان پر کاربرد تقویت کنندها آشنا می شیم :
1- سیگنال ورودی :
به سیگنال که جهت تقویت به تقویت کننده اعمال میش ود سیگنال ورودی گفته میشود .
2- سیگنال خروجی :
سیگنال تقویت شده که مورد استفاده در بخش های دیگر را سیگنال خروجی تقویت کننده گفته میشود .
3- بهره (Gain) تقویت کننده :
منظور میزان تقویت سیگنال ورودی می باشد به عنوان مثال یک سیگنال 5 ولت با ضریب بهره یا گین 3 به یک سیگنال 15 ولتی تبدیل می شود .
4- حداکثر ضریب تقویت :
چون تقویت کننده ها عملا نیاز به تغذیه جدا گانه دارند در عمل اصولا میزان تقویت نمی توانند از ولتاژ تغذیه تقویت کننده بیشتر شود به عنوا مثال یک تقویت کننده با ولتاژ تغذیه 24 ولت یک سیگنال یک ولتی را حدکثر 24 برابر تقویت کنند .
شاید این سوال پیش بیاید چطور بعضی از افزاینده های ولتاژ ، ولتاژ 5 ولت را به 10 یا بیشتر تبدیل می کنند ؟ این مدار ها تقویت کننده نیستن مبدل های الکترونیکی هستن که در مقاله ای جدا بهشون پرداخت خواهد شد .
بعد از اینکه با اصطلاحات پر کاربرد تقویت کننده ها آشنا شدیم میریم سراغ معرفی و نحوه عملکرد هریک از تقویت کننده ها
تقویت کننده ترانزیستوری :
از آنجایی که مبحث تقویت کننده های ترانزیستوری خودش یک مقاله جدا هست می توانید از اینجا این مبحث کاربردی را مطالعه کنید.
قبل از اینکه بریم سراغ معرفی تقویت کننده ها با آپ امپ باید در ابتدا با این آپ امپ آشنا بشیم .
آپ امپ (OpAmp) چیست :
Op-Amp مخفف Operational Amplifier به معنای تقویت کننده عملیاتی می باشد .
شماتیک یا شمای فنی Op Amp :
تقویت کننده عملیاتی یک مدار مجتمع است که می تواند سیگنال های الکتریکی ضعیف را تقویت کند.
یک تقویت کننده عملیاتی دارای دو پایه ورودی و یک پایه خروجی است. نقش اصلی آن تقویت اختلاف ولتاژ بین دو پایه ورودی است.
به همین علت شمای فنی آپ امپ یا تقویت کننده عملیاتی به شکل مثلث کشیده می شود .
عموما به خاطر راحتی و تسریع در شماتیک یا نقشه فنی کشیدن از کشیدن پین های تغذیه آپ امپ ها خودداری می کنند .
کاربرد تقویت کننده های عملیاتی :
عموما از توقیت کننده های عملیاتی به صورت تنهایی یا تک مدار استفاده نمی شود و در سیستم های الکترونیکی یه عناون واحد آماده سازی سیگنال جهت بخش پردازش استفاده می شود .
واحد پردازش می تواند میکروکنترلر یا یک مدار الکترونیکی دیگر باشد .
پس به طور کلی تقویت کننده های عملیاتی دوتا کاربرد اساس را دارا می باشند .
1- تقویت سیگنال های الکتریکی
2- حذف نویز و فیلتر سیگنال های الکتریکی
ویژگی های عمومی تقویت کننده عملیاتی :
• تقویت کننده عملیاتی در حالت ایده آل دارای بهره یا گین بی نهایت می باشند.
• ساختار ایده ال اپ امپ ها یا تقویت کننده های عملیاتی درای مقاومت ورودی بی نهایت بوده و به صورت یک مثلث که دو تا ورودی و یک خروجی دارن نمایش داده می شود .
• تغذیه آپ امپ های می تواند یک ولتاژ dc یا یک ولتاژ دوگانه مثبت و منفی باشد.
• دو قانون اصلی مرتبط با تقویت کننده عملیاتی این است که دارای امپدانس ورودی نامحدود است، (Z = ∞ ) که منجر به “هیچ جریانی به هیچ یک از دو ورودی آن نمی شود” و ولتاژ آفست ورودی صفر V1 = V2 می شود.
• یک تقویت کننده عملیاتی همچنین دارای امپدانس خروجی صفر است (Z = 0).
• Op-amp ها را می توان به دو پیکربندی اساسی، Inverting و Non-Inverting متصل کرد.
مدارهای تقویت کننده عملیاتی پایه :
دوتا مدار فوق یعنی :
1- مدار تقویت کننده غیر معکوس کننده یا Non Inverting Op amp
2-مدار تقویت کننده معکوس کننده یا Inverting Op amp
و تحلیل های کلی اشون می توان کلی مدار دیگر را تحلیل و یا طراحی کرد به عناوان مثال :
اگر ورودی به پایه منفی داده بشه مدار تقویت کننده معکوس کننده خواهیم داشت .
اگر ورودی به پایه مثبت داده بشه مدار تقویت کننده غیر معکوس کننده خواهیم داشت.
در حالتی که ورودی ، بع پایه مثبت وصل شده با اتصال مستقیم فیدبک از خروجی به پایه منفی مدار بافر ولتاژ خواهی داشت .
با تغییر مقاومت بازخورد ثابت (Rƒ) برای یک پتانسیومتر، مدار دارای Gain قابل تنظیم خواهد بود.
مدار تقویت کننده غیر معکوس کننده یا Non Invertig Op amp :
در آموزش قبلی تقویت کننده معکوس، گفتیم که برای یک آپ امپ ایده آل “هیچ جریانی به ترمینال ورودی” آمپلی فایر جریان نمی یابد و “V1 همیشه برابر است با V2”.
V2 در این جا همان ولتاژ ورودی یا Vin می باشد .
این به این دلیل بود که محل اتصال سیگنال ورودی و بازخورد (V1) در پتانسیل یکسانی است. به عبارت دیگر محل اتصال یک نقطه جمع “زمین مجازی” است. به دلیل این گره زمین مجازی، مقاومت ها، Rƒ و R2 یک شبکه تقسیم پتانسیل ساده را در سراسر تقویت کننده غیر معکوس تشکیل می دهند که بهره ولتاژ مدار توسط نسبت های R2 و Rƒ مطابق شکل زیر تعیین می شود.
اگر مدار معادل تقویت کننده را در حالت ایده ال رسم کنیم به شکل مقابل خواهیم رسید که در این صورت
حال همانطور قبلا گفته شده ولتاژ V1= Vin می باشد .
و از طرفی می دانیم av یا بهره ولتاژ برابر است با vout/vin که با جایگذاری مقادیر بالا به معادل زیر خواهیم رسید .
که با ساده سازی فرمول بالا به این نتیجه خواهیم رسید .
که مشاهده می کنیم برابر هست با فرمول مطرح شده در ابتدا .
مدار تقویت کننده معکوس کننده یا Invertig Op amp :
تقویت کننده معکوس کننده (همچنین به عنوان تقویت کننده عملیاتی معکوس یا op-amp Inverting معکوس شناخته می شود) نوعی مدار تقویت کننده عملیاتی است که خروجی ای تولید می کند که معکوس ورودی بوده یا به عبارت دیگر دارای 180 درجه اختلاف فاز می باشد.
عمل کرد مدار به این صورت میباشد که هر پالس یا سیگنال به ورودی بدهید در خروجی تقویت و معکوس شده است .
در این مدار باید سیگنال ورودی را به منفی تقویت کننده وصل کرده و با استفاده از مقاومت های Rf و Rin می توانیم ضریب تقویت یا گین مدار را کنترل کنیم در ادامه به تشریح عملکرد مدار می پردازیم
قبل از اینکه بریم سراغ محاسبات و اثابت رابطه ورودی و خروجی مدار تقویت کننده معکوس کننده اگر در بحث مبانی الکترونیک پایه مشکل دارین حتما این قسمت را مطالعه کنید .
براساس قوانین مدار های الکترونیکی می دانیم که بهره ولتاژ در مدارهای الکتریکی برابر است با
به عبارت دیگر بهره ولتاژ یا ضریب تقویت برابر است با نسبت ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی .
حالا بریم سراغ تحلیل مدار تقویت کننده معکوس کننده همانطور که در شکل مشاهده می کنید . جریان ها و ولتاژ های قسمت های مختلف مدار نام گذاری شده است و با استفاده از قوانین مدارهای الکترونیکی جریان ورودی و جریان حلقه فیدبک را محاسبه می کنیم :
خب همانطور که در بخش ویژگی های عمومی تقویت کننده های عملیاتی مطرح کردیم ، می دانیم عملا به علت مقامت بسیار زیاد وروی آپ امپ ها جریان I1 و I2 صفر می باشد و همچینین چون ولتاژ V1 و V2 باهم برابر می باشند و ولتاژ V2 و لتاژ V2 صفر می باشد لذا ولتاژ V1 صفر می شود پس داریم :
طبق فرمول بهره ولتاژ که در بالاتر بیان کردیم به معالدلات زیر می رسیم :
در نهایت مشاهده می کنید که بهره ولتاژ یا ضریب تقویت برابر است با :
همانطور که مشاهده می کنید علامت منفی نشان دهنده تقویت کننده معکوس کننده میباشد.
