تقویت کننده غیر وارونگر

بازدید: 1010

تقویت کننده غیر وارونگر، دومین پیکربندی اساسی مدارهای تقویت کننده عملیاتی است.

در این پیکربندی، سیگنال ولتاژ ورودی (V_in) مستقیما به ترمینال ورودی غیر وارونگر (+) اعمال می‌شود، به این معنی که بر خلاف مدار «تقویت کننده وارونگر»، که بهره خروجی آن منفی است، بهره خروجی تقویت کننده «مثبت» می‌شود. در نتیجه، سیگنال خروجی با سیگنال ورودی «هم فاز» است.

کنترل فیدبک تقویت کننده عملیاتی غیر وارونگر با اعمال بخش کوچکی از سیگنال ولتاژ خروجی به ترمینال ورودی وارونگر (-) از طریق شبکه تقسیم ولتاژ R_f-R₂ و ایجاد فیدبک منفی انجام می‌شود.

این پیکربندی حلقه بسته، یک مدار تقویت کننده غیر وارونگر به وجود می‌آورد که پایداری بسیار خوب، امپدانس ورودی (R_in) بسیار بالا (نزدیک به بینهایت)، چراکه هیچ جریانی به ترمینال ورودی مثبت وارد نمی‌شود (در شرایط ایده‌آل) و امپدانس خروجی (R_out) کم دارد.

پیکربندی آپ‌امپ غیر وارونگر

در مقاله آپ‌امپ معکوس‌کننده گفتیم که برای یک آپ امپ ایده‌آل «هیچ جریانی به ترمینال ورودی تقویت کننده جاری نمی‌شود» و «V₁ همیشه برابر با V₂» است. دلیل این امر آن بود که محل اتصال سیگنال ورودی و فیدبک (V₁) پتانسیل یکسانی دارند.

به عبارت دیگر محل اتصال، یک نقطه جمع «زمین مجازی» است. به دلیل وجود این گره زمین مجازی، مقاومت‌های R_f و R₂ یک شبکه تقسیم ولتاژ ساده در امتداد تقویت کننده غیر وارونگر تشکیل می‌دهند و بهره ولتاژ مدار، همانطور که در زیر نشان داده شده، با نسبت R₂ و R_f تعیین می‌شود.

شبکه تقسیم ولتاژ معادل

پس با استفاده از فرمول محاسبه ولتاژ خروجی شبکه تقسیم ولتاژ، می‌توان بهره ولتاژ حلقه بسته (A_V) تقویت کننده غیر وارونگر را به صورت زیر محاسبه کرد:

نقطه جمع ایده‌آل: V₁=V_in

بهره ولتاژ (A_V) برابر است با V_out/V_in. بنابراین:

با جابجایی معادله بالا داریم:

پس بهره ولتاژ حلقه بسته یک تقویت‌کننده عملیاتی غیر وارونگر برابر است با:

از معادله بالا می‌توان دریافت که بهره کلی حلقه بسته یک تقویت کننده‌غیر وارونگر همیشه بیشتر از یک (واحد) است و هرگز کمتر نخواهد بود. ماهیت آن مثبت است و با نسبت مقادیر R_f و R₂ تعیین می‌شود.

اگر مقدار مقاومت فیدبک (R_f) صفر باشد، بهره تقویت کننده دقیقا برابر با یک (واحد) خواهد بود. اگر مقاومت R₂ صفر باشد، بهره به بینهایت نزدیک می‌شود، اما در عمل به بهره دیفرانسیلی حلقه باز تقویت کننده عملیاتی (A_O) محدود خواهد شد.

می‌توانیم به راحتی با تغییر اتصالات ورودی، همانطور که نشان داده شده، پیکربندی تقویت کننده عملیاتی وارونگر را به غیر وارونگر تبدیل کنیم.

دنبال کننده ولتاژ (بافر بهره واحد)

اگر مقاومت فیدبک را برابر با صفر (R_f=0) و مقاومت R₂ را برابر با بینهایت (R₂=∞) کنیم، در این صورت مدار حاصل بهره ثابت «یک» (واحد) خواهد داشت، چراکه تمام ولتاژ خروجی به ترمینال ورودی وارونگر تغذیه می‌شود (فیدبک منفی). این پیکربندی، نوع خاصی از مدار تقویت کننده غیر وارونگر به نام دنبال کننده ولتاژ تولید می‌کند که به عنوان «بافر بهره واحد» نیز شناخته می‌شود.

از آنجا که سیگنال ورودی مستقیما به ورودی غیر وارونگر تقویت کننده متصل می‌شود، سیگنال خروجی معکوس نمی‌شود و در نتیجه ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ ورودی است، بنابراین V_out=V_in. پس این مدار دنبال کننده ولتاژ را، به دلیل جدا سازی ورودی و خروجی، به عنوان منبع ولتاژ ثابت یا تنظیم کننده ولتاژ، ایده‌آل می‌کند.

مزیت پیکربندی دنبال کننده ولتاژ بهره واحد این است که می‌توان وقتی از آن استفاده کرد که تطبیق امپدانس یا جداسازی مدار، مهم‌تر از تقویت ولتاژ یا جریان باشد، زیرا ولتاژ سیگنال ورودی را در ترمینال خروجی خود حفظ می‌کند. همچنین، امپدانس ورودی مدار دنبال کننده ولتاژ بسیار زیاد است، معمولا بالاتر از 1MΩ، زیرا برابر است با مقاومت ورودی تقویت کننده عملیاتی ضرب در بهره آن (R_in×A_O). امپدانس خروجی آپ امپ بسیار کم است، زیرا شرایط آن ایده‌آل فرض می‌شود و بنابراین تحت تاثیر تغییرات بار قرار نمی‌گیرد.

دنبال کننده ولتاژ غیر وارونگر

در این پیکربندی مدار غیر وارونگر، امپدانس ورودی (R_in) تا بینهایت افزایش یافته و امپدانس فیدبک (R_f) به صفر رسیده است. خروجی مستقیما به ورودی وارونگر منفی متصل می‌شود، بنابراین فیدبک 100% است و V_in دقیقا برابر با V_out است که این امر به آن بهره ثابت 1 یا واحد می‌دهد. از آنجا که ولتاژ ورودی (V_in) به ورودی غیر وارونگر اعمال می‌شود، بهره ولتاژ تقویت کننده به این صورت است:

از آنجا که هیچ جریانی به ترمینال ورودی غیر معکوس‌کننده وارد نمی‌شود، امپدانس ورودی بینهایت است (در شرایط ایده‌آل). بنابراین جریان صفر در حلقه فیدبک جاری می‌شود. بنابراین هر مقدار مقاومتی می‌تواند بدون تاثیر بر خصوصیات مدار، در حلقه فیدبک قرار گیرد، زیرا هیچ جریانی از آن عبور نمی‌کند، در نتیجه افت ولتاژ آن صفر است که خود منجر به اتلاف توان صفر می‌شود.

از آنجا که امپدانس ورودی بسیار زیاد است، می‌توان از بافر بهره واحد (دنبال کننده ولتاژ) برای تامین بهره توان زیاد استفاده کرد، زیرا توان اضافی از منبع تغذیه و از طریق خروجی آپ آمپ به بار می‌آید و نه مستقیم از ورودی. با این حالT در بیشتر مدارهای بافر بهره واحد واقعی، جریان‌های نشتی و ظرفیت‌های پارازیتی وجود دارد. بنابراین یک مقاومت کم (معمولا 1kΩ) در حلقه فیدبک برای کمک به کاهش اثرات این جریان‌های نشتی مورد نیاز است تا ثبات ایجاد کند، به ویژه اگر تقویت کننده عملیاتی از نوع فیدبک جریان باشد.

دنبال کننده ولتاژ یا بافر بهره واحد نوعی خاص و بسیار مفید از مدار تقویت کننده غیر وارونگر است که معمولا در الکترونیک برای جداسازی مدارها از یکدیگر، بخصوص در فیلترهای فعال متغیر یا نوع سالن-کی (Sallen-Key) مرتبه بالا برای جدا کردن مراحل فیلتر از هم، مورد استفاده قرار می‌گیرد. IC های بافر دیجیتال معمول، بافر 74LS125 چهارتایی 3 حالته یا بافر رایج‌تر 74LS244 هشت‌تایی است.

یک مورد نهایی: بهره ولتاژ حلقه بسته در مدار دنبال کننده ولتاژ، «1» یا واحد است. بهره ولتاژ حلقه باز یک تقویت کننده عملیاتی بدون فیدبک، بی‌نهایت است. پس با انتخاب دقیق مولفه‌های فیدبک، می‌توان مقدار بهره حاصل از یک تقویت کننده عملیاتی غیر وارونگر را از یک تا بینهایت کنترل کرد.

تا اینجا یک مدار تقویت کننده وارونگر و غیر وارونگر را که تنها یک سیگنال ورودی دارد، تحلیل کرده‌ایم. در مقاله بعدی در مورد تقویت کننده‌های عملیاتی، با اتصال ورودی‌های بیشتر به تقویت کننده، اثر ولتاژ خروجی (V_out) را بررسی خواهیم کرد. این یک نوع رایج دیگر از مدار تقویت کننده عملیاتی، به نام تقویت کننده جمع کننده است که می‌تواند برای «جمع کردن» ولتاژهای موجود در ورودی‌های آن استفاده شود.