تقویت کننده دیفرانسیلی، تفاضل ولتاژهای موجود در ورودی‌های وارونگر و غیر وارونگر را تقویت می‌کند.
تا کنون تنها از یکی از ورودی‌های تقویت کننده عملیاتی، «وارونگر» یا «غیر وارونگر»، برای تقویت یک سیگنال ورودی واحد استفاده کرده‌ایم و ورودی دیگر را به زمین متصل کرده‌ایم.
اما از آنجا که یک تقویت کننده عملیاتی استاندارد دارای دو ورودی وارونگر و غیر وارونگر است، ما همچنین می‌توانیم سیگنال‌ها را به طور همزمان به هر دو ورودی متصل کنیم و یک نوع متداول دیگر از مدار تقویت کننده عملیاتی به نام تقویت کننده دیفرانسیلی (یا تفاضلی) تولید کنیم.
اساسا، همانطور که در اولین آموزش در مورد تقویت کننده‌های عملیاتی دیدیم، همه آپ امپ‌ها به دلیل پیکربندی ورودی خود، «تقویت کننده دیفرانسیلی» هستند. اما با اتصال یک سیگنال ولتاژ به یک ترمینال ورودی و سیگنال ولتاژ دیگری به ترمینال ورودی دیگر، ولتاژ خروجی حاصل، با «تفاضل» بین دو سیگنال ولتاژ ورودی V1 و V2 متناسب خواهد بود.
پس تقویت کننده‌های دیفرانسیلی، تفاضل بین دو ولتاژ را تقویت می‌کنند و این نوع مدار، تقویت کننده عملیاتی را به یک تفریق کننده تبدیل می‌کند، برخلاف تقویت کننده جمع کننده که ولتاژهای ورودی را جمع می‌کند. این نوع مدار تقویت کننده عملیاتی معمولا به عنوان پیکربندی تقویت کننده دیفرانسیلی شناخته می‌شود و در زیر نشان داده شده است:
مدار تقویت کننده دیفرانسیلی
با اتصال هر ورودی به نوبه خود به زمین (0V) می‌توانیم از بر هم نهی برای به دست آوردن ولتاژ خروجی (Vout) استفاده کنیم. پس تابع انتقال برای یک مدار آپ امپی دیفرانسیلی به صورت زیر است:
نقطه جمع، Va=Vb و
اگر V2=0، آن گاه
اگر V1=0، آن گاه
هنگامی که R1=R2 و R3=R4، تابع انتقال بالا برای تقویت کننده دیفرانسیلی را می‌توان به عبارت زیر ساده کرد:
معادله تقویت کننده دیفرانسیلی
اگر همه مقاومت‌ها مقادیر برابر داشته باشند، یعنی R1=R2=R3=R4، در این صورت مدار به یک تقویت کننده دیفرانسیلی بهره واحد تبدیل می‌شود و بهره ولتاژ تقویت کننده دقیقا یک یا واحد خواهد بود. سپس معادله خروجی، برابر با Vout=V2-V1 خواهد بود.
همچنین توجه داشته باشید که اگر ورودی V1 بیشتر از ورودی V2 باشد، مقدار ولتاژ خروجی منفی خواهد بود و اگر V2 بیشتر از V1 باشد، مقدار ولتاژ خروجی مثبت خواهد بود.
مدار تقویت کننده دیفرانسیلی یک مدار آپ امپ بسیار مفید است و با افزودن مقاومت‌های بیشتر به موازات مقاومت‌های ورودی R1 و R3، مدار حاصل می‌تواند ولتاژهای وارد شده به هر ترمینال را «جمع» یا «تفریق» کند. یکی از متداول ترین روش‌های انجام این کار، اتصال یک «پل مقاومتی»، که معمولا به نام پل وتستون شناخته می‌شود، به ورودی تقویت کننده است.
تقویت کننده دیفرانسیلی پل وتستون
مدار تقویت کننده دیفرانسیلی استاندارد، اکنون با «مقایسه» یک ولتاژ ورودی با ولتاژ دیگر، به یک مقایسه کننده ولتاژ دیفرانسیلی تبدیل می‌شود. به عنوان مثال، با اتصال یک ورودی به یک مرجع ولتاژ ثابت که در یک پایه شبکه پل مقاومتی تنظیم شده و دیگری به «ترمیستور» یا «مقاومت وابسته به نور»، می‌توان از مدار تقویت کننده برای تشخیص کم یا زیاد بودن سطح دما یا نور استفاده کرد، چراکه ولتاژ خروجی یک تابع خطی از تغییرات در پایه فعال پل مقاومتی می‌شود و این در زیر نشان داده شده است.
تقویت کننده دیفرانسیلی فعال شونده با نور
در اینجا، مدار بالا به عنوان یک سوئیچ فعال شونده با نور عمل می‌کند و هنگامی که سطح نوری که توسط مقاومت LDR تشخیص داده می‌شود از سطح از پیش تنظیم شده‌ای کمتر یا بیشتر می‌شود، رله خروجی را «روشن» یا «خاموش» می‌کند. از طریق شبکه تقسیم ولتاژ R1-R2، به ترمینال ورودی غیر وارونگر آپ امپ یک مرجع ولتاژ ثابت اعمال می‌شود.
مقدار ولتاژ در V1 نقطه قطع آپ امپ را تنظیم می‌کند و از یک پتانسیومتر فیدبک (VR2) برای تنظیم هیسترزیس سوئیچینگ استفاده می‌شود. یعنی تفاوت بین سطح نور برای حالت «روشن» و سطح نور برای حالت «خاموش».
بخش دوم تقویت کننده دیفرانسیلی، متشکل از یک مقاومت استاندارد وابسته به نور است، که به عنوان LDR نیز شناخته می‌شود. یک سنسور مقاومت نوری که مقدار مقاومت خود را با توجه مقدار نور در سلول خود تغییر می‌دهد (نام آن نیز از این رو انتخاب شده است)، زیرا مقدار مقاومت آنها تابعی از نور است.
LDR می‌تواند هر نوع سلول رسانای نوری از جنس سولفید کادمیوم (CdS) باشد، مانند مدل رایج NORP12 که دارای دامنه مقاومت بین 500Ω در نور خورشید تا حدود 20kΩ یا بیشتر در تاریکی است.
سلول رسانای نوری NORP12 دارای یک واکنش طیفی شبیه به چشم انسان و برای استفاده در کاربردهای نوع کنترل روشنایی ایده‌آل است. مقاومت فوتوسل با سطح نور متناسب است و با افزایش شدت نور، کاهش می‌یابد، بنابراین سطح ولتاژ در V2 نیز در بالا یا پایین نقطه سوئیچینگ تغییر می‌کند، که می‌تواند با موقعیت VR1 تعیین شود.
پس با تنظیم سطح قطع نور با استفاده از پتانسیومتر VR1 و هیسترزیس سوئیچینگ با استفاده از پتانسیومتر VR2، می توان یک سوئیچ حساس به نور دقیق ساخت. بسته به نوع کاربرد، خروجی آپ امپ می‌تواند بار را مستقیما سوئیچ کند، یا از یک سوئیچ ترانزیستوری برای کنترل یک رله یا خود لامپ‌ها استفاده کند.
همچنین می‌توان با جایگزینی مقاومت وابسته به نور با ترمیستور، دما را با استفاده از این نوع پیکربندی مدار ساده تشخیص داد. با جایگزینی موقعیت‌های VR1 و LDR، می‌توان از مدار برای تشخیص نور یا تاریکی، یا گرما و سرما با استفاده از ترمیستور استفاده کرد.
یک محدودیت عمده در این نوع طراحی تقویت کننده این است که امپدانس ورودی آن در مقایسه با سایر پیکربندی‌های تقویت کننده عملیاتی، به عنوان مثال یک تقویت کننده غیر وارونگر (تک ورودی)، کمتر است.
هر منبع ولتاژ ورودی باید جریان را از طریق یک مقاومت ورودی، که دارای امپدانس کلی کمتری نسبت به ورودی آپ امپ است، هدایت کند. این ممکن است برای یک منبع امپدانس پایین مانند مدار پل بالا خوب باشد، اما برای یک منبع امپدانس بالا خیلی خوب نیست.
یکی از راه‌های غلبه بر این مشکل، افزودن یک تقویت کننده بافر بهره واحد، مانند دنبال کننده ولتاژ است که در آموزش قبلی دیدیم، به هر مقاومت ورودی است. این یک مدار تقویت کننده دیفرانسیلی با امپدانس ورودی بسیار بالا و امپدانس خروجی کم به ما می‌دهد، زیرا از دو بافر غیر وارونگر و یک تقویت کننده دیفرانسیلی تشکیل شده است. این مبنای اکثر «تقویت کننده‌های ابزار دقیق» است.
تقویت کننده ابزار دقیق
تقویت کننده‌های ابزار دقیق (این-امپ‌ها) تقویت کننده‌های دیفرانسیلی با بهره بسیار بالا هستند که امپدانس ورودی بالا و یک خروجی تک دارند. تقویت کننده‌های ابزار دقیق برای تقویت سیگنال‌های دیفرانسیلی بسیار کوچک از فشار سنج‌ها، ترموکوپل‌ها یا دستگاه‌های سنجش جریان در سیستم‌های کنترل موتور استفاده می‌شوند.
برخلاف تقویت کننده‌های عملیاتی استاندارد که در آنها بهره حلقه بسته توسط فیدبک مقاومتی خارجی متصل شده بین ترمینال خروجی و یک ترمینال ورودی (مثبت یا منفی) تعیین می‌شود، «تقویت کننده‌های ابزار دقیق» دارای یک مقاومت فیدبک داخلی هستند که عملا از ترمینال‌های ورودی آن ایزوله شده است، زیرا سیگنال ورودی به دو ورودی دیفرانسیلی V1 و V2 اعمال می‌شود.
تقویت کننده ابزار دقیق همچنین دارای نرخ حذف حالت مشترک (CMRR، خروجی صفر هنگامی که V1=V2) بسیار خوب، بیش از 100dB در DC، است. یک مثال معمولی از تقویت کننده ابزار دقیق با سه آپ امپ، با امپدانس ورودی (Zin) بالا، در زیر آمده است:
تقویت کننده ابزار دقیق با امپدانس ورودی بالا
دو تقویت کننده غیر وارونگر، یک مرحله ورودی دیفرانسیلی را تشکیل می‌دهند که به عنوان تقویت کننده بافر با بهره 1+2(R2/R1) برای سیگنال‌های ورودی دیفرانسیلی و بهره واحد برای سیگنال‌های ورودی حالت مشترک، عمل می‌کنند. از آنجا که تقویت کننده‌های A1 و A2 تقویت کننده‌های حلقه بسته با فیدبک منفی هستند، بنابراین می‌توان انتظار داشت که ولتاژ در Va برابر با ولتاژ ورودی (V1) باشد. به همین ترتیب، ولتاژ در Vb برابر با ولتاژ در V2 است.
از آنجا که آپ امپ‌ها در ترمینال‌های ورودی خود (زمین مجازی) هیچ جریانی نمی‌گیرند، جریان یکسانی باید از طریق شبکه سه مقاومتی R2، R1 و R2 متصل به خروجی‌های آنها جریان یابد. به این معنی که ولتاژ انتهای بالایی R1 برابر V1 و ولتاژ انتهای پایینی آن برابر V2 خواهد بود.
این یک افت ولتاژ روی مقاومت R1 ایجاد می‌کند که برابر است با تفاضل ولتاژ ورودی‌های V1 و V2، ولتاژ ورودی دیفرانسیلی، زیرا ولتاژ در اتصال جمع کننده هر تقویت کننده(Va و Vb) برابر است با ولتاژ اعمال شده به ورودی‌های مثبت آن.
اما اگر ولتاژ حالت مشترک بر ورودی‌های تقویت کننده‌ها اعمال شود، ولتاژهای دو سر R1 برابر خواهد بود و هیچ جریانی از این مقاومت عبور نمی‌کند. از آنجا که هیچ جریانی از R1 (و در نتیجه هر دو مقاومت R2) عبور نمی‌کند، تقویت کننده‌های A1 و A2 به عنوان دنبال کننده بهره واحد (بافر) عمل خواهند کرد. از آنجا که ولتاژ ورودی در خروجی تقویت کننده‌های A1 و A2 به صورت تفاضلی در شبکه سه مقاومتی ظاهر می‌شود، می‌توان با تغییر مقدار R1، بهره دیفرانسیلی مدار را تغییر داد.
ولتاژ خروجی از آپ امپ دیفرانسیلی A3، که به عنوان یک تفریق کننده عمل می‌کند، تنها تفاضل بین دو ورودی آن (V2-V1) است که با بهره A3، که ممکن است یک (واحد) باشد، تقویت می‌شود (با فرض این که R3=R4). پس یک عبارت کلی برای بهره ولتاژ کلی مدار تقویت کننده ابزار دقیق داریم:
معادله تقویت کننده ابزار دقیق
در مقاله بعدی در مورد تقویت کننده‌های عملیاتی، اثر ولتاژ خروجی (Vout) را بررسی خواهیم کرد، هنگامی که مقاومت فیدبک با راکتانس وابسته به فرکانس در شکل یک خازن جایگزین می‌شود. اضافه شدن این ظرفیت خازنی فیدبک، یک مدار تقویت کننده عملیاتی غیر خطی به نام تقویت کننده انتگرال گیر تولید می‌کند.
