اپ امپ (OP AMP) چیست و چگونه کار می کند؟
Op Amp یا تقویت‌کننده‌های عملیاتی یک مدار جامع است که می‌تواند برای انجام عملیات‌های خطی و غیرخطی در مدارات الکترونیک به کار برده شود. اپ امپ‌‌‌‌‌‌ها از دو پایانه ورودی تفاضلی و یک پایانه خروجی تشکیل شده اند. یکی از پایانه‌ها ورودی به‌عنوان ترمینال معکوس و دیگری به‌عنوان پایانه غیر معکوس نامیده می‌شوند. نام پایانه‌ها بر اساس رابطه فاز، بین ورودی و خروجی تعیین می‌شود. همانطور که از نام و شکل این قطعه مشخص است , از این قطعه به عنوان تقویت کننده استفاده می شود .اما استفاده از این قطعه به تنهایی مشکل را برطرف نمی کند و نیاز به قطعات دیگری نیز هست . برای درک بهتر کارکرد این قطعه ابتدا نیاز است که شما این قطعه را بخوبی بشناسید و با ویژگی های آن آشنا شوید .
مشخصه های تقویت‌کننده‌های عملیاتی
- ضریب بهره ولتاژ (Av) (100,000)
- امپدانس ورودی
- امپدانس خروجی
- ولتاژ آفست خروجی
- Slew rate سرعت تغییر خروجی
- Temperature effects تاثیر دما بر کارکرد اپ امپ
- پهنای باند فرکانسی
- ….
نحوه کارکرد اپ امپ OP AMP
از لحاظ ساختاری یک اپ امپ از قطعات بسیار زیادی تشکیل شده است که تحلیل مدار داخلی آن از حوصله این پست خارج است و عملا کار بردی هم ندارد اما خلاصه مدار داخلی یک اپ امپ به شکل زیر است .
همانطور که در شکل فوق می بینید ولتاژ خروجی رابطه مستقیمی با ولتاژ ورودی دارد .
Vout=(V+ – V–)*G
G= 100,000
Rin=خیلی زیاد
Rout=خیلی کم
V+s=تغذیه مثبت
V-s=تغذیه منفی
در یک اپ امپ مقدار مقاومت ورودی بسیار بالا است (Rin). مقاومت خروجی بسیار کم و در حد صفر است .(Rout) و ضریب بهره ولتاژ نیز بسیار بالا است (G).
Op-Amp ایده‌آل
یک تقویت‌کنندة عملیاتی ایده‌آل فقط به صورت تئوری وجود دارد و کاربردی در واقعیت، به صورت عملی ندارد. ویژگی‌هایی اپ امپ ایده‌آل شامل موارد زیر هستند:
- امپدانس ورودی Zi = ∞Ω
- امپدانس خروجی Z0 = 0Ω
- اگر ولتاژ ورودی (دیفرانسیل) Vi = 0V باشد، ولتاژ خروجی برابر با V0 = 0V خواهد بود و در این حالت پهنای باند بینهایت می‌شود. این بدان معناست که یک OP-amp ایده‌آل سیگنال‌های هر فرکانس را بدون هیچ ضعفی می‌تواند تقویت کند.
- (CMRR) بینهایت است.
- Slew Rate (SR) بینهایت است. این بدان معناست که op-amp ایده‌آل در پاسخ به ولتاژ مرحله ورود، تغییر خروجی را بلافاصله ایجاد می‌کند.
کاربرد های اپ امپ
1-استفاده از اپ امپ به عنوان مقایسه گر
در ساده ترین حالت می توان از یک اپ امپ به عنوان مقایسه گر دو ولتاژ استفاده نمود :
در مدار فوق و طبق رابطه A(V+-V–)=Vout در صورتی که ولتاژ پایانه مثبت به اندازه کمی از ولتاژ پایانه منفی بیشتر باشد ولتاژ خروجی با ضرب این مقدار (V+––V) در یک عدد بسیار بالا (A) یا همان ضریب تقویت باعث می شود خروجی یک عدد بزرگ شود . اما سوال اینجاست که با توجه به ضریب تقویت بسیار بالا آیا خروجی نیز یک عدد بی نهایت و بزرگ می شود .پاسخ منفی است . محدوده ولتاژ خروجی بستگی به ولتاژ های تغذیه اپ امپ دارد و بین این دو مقدار تغییر می کند.
2 – تقویت کننده مستقیم یا none inverting
شاید مهمترین ویژگی اپ امپ ها op amp تقویت سیگنال با فرکانس صفر یا DC علاوه بر سیگنال های AC باشد . در بسیاری از مدارات آنالوگ نیاز است که یک سیگنال بسیار ضعیف تقویت شود و برای پردازش به یک سیگنال با دامنه بزرگتر تبدیل شود. از این رو باید از یک مدار تقویت کننده مستقیم استفاده شود . شکل کلی یک تقویت کننده مستقیم به شکل زیر است .
در یک تقویت کننده مستقیم با استفاده از اپ امپ سیگنال مورد نظر به پایه مثبت متصل می شود و از دو مقاومت به شکل فوق در مسیر ترمینال منفی و خروجی قرار می گیرند. اما مدار فوق چگونه باعث تقویت سیگنال ورودی می شود؟ همانطور که در ابتدای نوشته توضیح دادیم مقاومت ورودی یک اپ امپ بسیار زیاد است پس طبیعی است که جریان مسیر ورودی ناچیز و در حد صفر است. از این رو مطابق شکل زیر ولتاژ V1=Vin است .اگ روابط KCL را برای دو مقاومت بنویسیم رابطه بین ولتاژ ورودی و خروجی به شکل زیر می باشد :
2 – تقویت کننده غیر مستقیم یا inverting
تقویت کننده غیر مستقیم به شکل زیر است :
نحوه محاسبه مقدار ولتاژ خروجی شبیه به مدار مستقیم است. با توجه به شکل فوق ترمینال مثبت به گراند مدار وصل می شود . از آنجا که بین ترمبنال مثبت و منفی جریانی برقرار نمی شود پس مقدار ولتاژ روی پین منفی برابر با ولتاژ پین مثبت و صفر است. پس اینگونه تصور می شود که یک گراند مجازی روی پین منفی برقرار است .
3- استفاده از اپ امپ به عنوان بافر
گاهی اوقات در یک مدار برای پردازش یک سیگنال لازم است سگنال ورودی از یک طبقه بافر عبور کند و سپس به مدار اصلی برسد . علت استفاده از بافر در مدار جهت جلوگیری از خراب شدن شکل سیگنال های ضعیف ورودی است . همانطور که در ویژگی اپ امپ گفته شد این قطعات مقاومت ورودی بالایی دارند . پس با یک شکل خاص می توان از آن ها به عنوان بافر استفاده نمود . در مدار تقویت کننده مستقیم فرض کنید که مقاومت مسیر فیدبک صفر و مقاومت مسیر گران بینهایت یا در مدار موجود نباشد . پس شکل مدار مشابه زیر خواهد بود . در این حالت طبق فرمول مقدار ولتاژ ورودی و خروجی با یکدیگر برابر است و می توان از آن به عنوان مدار بافر ورودی در دیگر طبقات استفاده نمود .
4- استفاده از اپ امپ op amp به عنوان تقویت کننده تفاضلی
یک تقویت کننده تفاضلی اختلاف بین دو سیگنال را به صورت تفاضلی در مدار اندازه گیری می کند .مشابه این رفتار در ولت متر ها وجود دارد . شکل و فرمول یک تقویت کننده تفاضلی شابه زیر است :
از چه اپ امپی OP AMP در مدار استفاده کنیم؟
اپ امپ های بسیاری از شرکت های مختلف در بازار موجود است . به عنوان مثال یکی از معروف ترین اپ امپ ها که شاید اسم آن را زیاد شنیده باشید اپ امپ 741 باشد . اصول کارکرد همه اپ امپ ها شبیه به یکدیگر است و فقط در بعضی از موارد خاص نیاز است که با جزئیات بیشتری از اپ امپ آشنایی داشته باشید .به عنوان مثال شاید نیاز به استفاده از اپ امپ در یک مدار ولتاژ بالا داشته باشید پس طبیعی است که اپ امپ مورد استفاده شما حتما باید بتواند ولتاژ تغذیه بالا را تحمل کنید . و یا اینکه در مدار شما ولتاژ منفی وجود ندارد و مایل به استفاده از اپ امپی باشید که فقط بتواند با ولتاژ مثبت تغذیه و راه اندازی شود . در این مورد می توانید از آیسی LM358 یا LM258 استفاده نمایید . این موارد و بسیاری از فاکتورهای دیگر در انتخاب یک آیسی مناسب برای کار در مدار شما می تواند تعیین کننده باشد پس قبل از طراحی مدار خود حتما این موارد را مد نظر داشته باشید .
