فهرست مطالب
تقویت کننده عملیاتی یکی از پایه‌های اساسی طراحی خطی است. در شکل کلاسیک خود یک پایانه خروجی، و دو پایانه ورودی دارد، که یکی فاز سیگنال را معکوس می کند، دیگری فاز سیگنال را حفظ می‌کند. نماد استاندارد برای تقویت‌کننده عملیاتی در شکل 1 نشان داده شده است. در این شکل پایانه‌های منبع تغذیه، که بدیهی است برای کارکرد لازم هستند، نادیده گرفته می‌شوند.
مدل فیدبک ولتاژ ایده‌آل
مدل کلاسیک آپ امپ فیدبک ولتاژ ایده‌آل ویژگی‌های زیر را دارد:
- مقاومت ورودی بی‌نهایت
- پهنای باند بی‌نهایت
- بهره ولتاژ بی‌نهایت
- مقاومت خروجی صفر
- مصرف توان صفر
در واقعیت هیچ‌کدام از این ویژگی‌ها تحقق نمی‌یابند، چگونگی نزدیک‌شدن یک پیاده‌سازی واقعی به این ویژگی‌های ایده‌آل کیفیت آمپ امپ را تعیین می‌کند.
این مدل فیدبک ولتاژ است. این نوع آپ امپ تقریبا تمام آپ امپ‌ها با پهنای باند 10 مگاهرتز و در حدود 90% آپ‌امپ‌ها با پهنای باند بالاتر را دربرمی‌گیرد. دیگر معماری آپ‌امپ فیدبک جریان است و در آموزشی جداگانه موردبحث قرار می‌گیرد.
.
ویژگی‌های آپ‌امپ ایده‌آل
- بهره تفاضلی بی‌نهایت
- بهره حالت مشترک صفر
- جریان تغذیه صفر
- پهنای باند بی‌نهایت
- ویژگی‌های ورودی آپ‌امپ
- امپدانس بی‌نهایت
- جریان تغذیه صفر
- پاسخ به ولتاژهای تفاضلی
- عدم پاسخ به ولتاژهای حالت مشترک
- ویژگی‌های خروجی آپ‌امپ
- امپدانس صفر
عملکرد پایه
کارکرد پایه آپ‌امپ ایده‌آل را می‌توان به آسانی بطور مختصر بیان کرد. ابتدا، فرض می‌کنیم بخشی از خروجی به پایانه معکوس‌کننده بازخورد داده می‌شود تا بهره ثابتی برای تقویت‌کننده ایجاد شود. این فیدبک منفی است. هر ولتاژ تفاضلی در امتداد پایانه‌های ورودی آپ‌امپ در بهره حلقه باز تقویت‌کننده که برای آپ‌امپ ایده‌آل بی‌نهایت است، ضرب می‌شود. اگر بزرگی این ولتاژ تفاضلی در پایانه معکوس‌کننده (-) بیش‌تر از پایانه غیرمعکوس‌کننده (+) باشد، ولتاژ خروجی منفی خواهدشد. اگر بزرگی ولتاژ تفاضلی برروی پایانه غیرمعکوس‌کننده (+) بیش‌تر از پایانه معکوس‌کننده (-) باشد، خروجی مثبت خواهدشد. بهره حلقه باز بی‌نهایت تقویت‌کننده تلاش خواهدکرد ولتاژ ورودی تفاضلی را به صفر برساند. تا زمانی‌که ورودی و خروجی در محدوده عملیاتی تقویت‌کننده باقی بمانند، ولتاژ ورودی تفاضلی صفر خواهد بود، و خروجی برابر حاصلضرب ولتاژ ورودی در بهره تعیین‌شده توسط شبکه فیدبک خواهدبود. توجه داشته باشید که خروجی به ولتاژ حالت تفاضلی پاسخ خواهد داد نه ولتاژ ورودی حالت مشترک.
پیکربندی‌های معکوس‌کننده و غیرمعکوس‌کننده
دو روش پایه برای پیکربندی آپ‌امپ فیدبک ولتاژ ایده‌آل به‌عنوان یک تقویت‌کننده وجود دارد. این روش‌ها در شکل‌های 3 و 4 نشان داده‌شده‌اند.
پیکربندی نشان داده شده در شکل 3 به‌عنوان پیکربندی معکوس‌کننده شناخته می‌شود. با این مدار، خروجی با ورودی هم فاز نیست. بهره سیگنال این مدار توسط نسبت مقاومت‌های بدست آمده تعیین می‌شود و به‌صورت زیر بیان می‌شود:
[katex]G=- \frac{ R_{F} }{ R_{G} } [/katex] معادله ۱
پیکربندی نشان داده شده در شکل 4 به‌عنوان پیکربندی غیرمعکوس‌کننده شناخته می‌شود. با این مدار، خروجی با ورودی هم فاز است. بهره سیگنال این مدار توسط نسبت مقاومت‌های بدست آمده تعیین می‌شود و به‌صورت زیر بیان می‌شود:
[katex]G=1+ \frac{ R_{F} }{ R_{G} } [/katex] معادله ۲
توجه داشته باشید، زمانی‌که مدار برای حداقل بهره 1 (∞=RG) پیکربندی شده باشد، با یک تقسیم‌کننده ولتاژ (شبکه تنظیم بهره) حداکثر ولتاژ در دسترس در پایانه معکوس‌کننده برابر با کل ولتاژ خروجی است.
علاوه براین، توجه داشته باشید که در هر دو پیکربندی معکوس‌کننده و غیرمعکوس‌کننده، فیدبک از خروجی به پایانه معکوس‌کننده است. این فیدبک منفی، مزایای بسیاری برای طراح دارد.
لازم بذکر است که بهره مبتنی بر نسبت مقاومت‌ها نه مقدار حقیقی آنها است. این بدین معنا است که طراح می‌تواند مقاومت‌ها را از گستره وسیعی از مقادیر با حدود عملی مشخص انتخاب کند.
بااین‌حال، اگر مقادیر مقاومت‌ها خیلی کم باشد، برای عملکرد مناسب آپ‌امپ مقدار زیادی جریان در خروجی موردنیاز است. این موضوع سبب اتلاف بیش از حد توان در خود آپ‌امپ می‌شود، که معایب بسیاری دارد. افزایش اتلاف توان منجر به گرم شدن تراشه شده، که می‌تواند موجب تغییر در ویژگی‌های جریان مستقیم (DC) خود آپ‌امپ شود. علاوه بر این، گرمای تولیدشده در نهایت می‌تواند باعث افزایش دمای محل پیوند به بیش از 150 درجه سانتی‌گراد، حداکثر حد معمول پذیرفته‌شده برای اکثر نیمه‌هادی‌ها، شود. دمای محل پیوند برابر با دما در خود تراشه سیلیکونی است. در مقابل، اگر مقادیر مقاومت‌ها بسیار زیاد باشد، افزایشی در نویز و حساسیت ظرفیت‌‌های خازنی پارازیتی ایجاد خواهد شد، که می‌تواند پهنای باند را محدود کرده و احتمالا موجب ناپایداری و نوسان شود.
از نظر عملی، بدست آوردن مقاومت‌های کم‌تر از 10 اُهم و بیش‌تر از 1 مگا اُهم سخت است، به‌خصوص اگر مقاومت‌های دقیق موردنیاز باشند.
استخراج بهره آپ‌امپ معکوس‌کننده
آپ‌امپ معکوس‌کننده را با کمی جزییات بیش‌تر بررسی می‌کنیم. با توجه به شکل 5، پایانه غیرمعکوس‌کننده به زمین متصل است. یک منبع تغذیه دو جهته (منفی و مثبت) را فرض می‌کنیم. از آنجایی‌که آپ‌امپ ولتاژ تفاضلی را در کل ورودی‌ها به صفر می‌رساند، ورودی معکوس‌کننده نیز زمین به‌نظر می‌رسد. در حقیقت، این گره اغلب به‌عنوان «زمین مجازی» درنظرگرفته می‌شود.
.
اگر ولتاژ (VIN ) به مقاومت ورودی اعمال شود، یک جریان (I1) در مقاومت ( RG) برقرار می‌شود:
[katex] I1= \frac{ V_{IN} }{ R_{G} } [/katex] معادله ۳
از آنجایی‌که امپدانس ورودی آپ‌امپ ایده‌آل بی‌نهایت است، هیچ جریانی در ورودی معکوس‌کننده ایجاد نخواهد شد. بنابراین، جریانی مشابه (I1) باید در مقاومت فیدبک ( RF) جاری شود. از آنجایی‌که تقویت‌کننده پایانه معکوس‌کننده را زمین می‌کند، خروجی ولتاژ ( VOUT) فرض می‌شود چنان‌که:
[katex] V_{OUT} =I1 \times R_{F} [/katex] معادله ۴
با انجام دادن یک محاسبه ریاضی ساده، می‌توانیم نتیجه بگیریم که (معادله.1):
[katex] \frac{ V_{OUT} }{ V_{IN} } =G=- \frac{ R_{F} }{ R_{G} } [/katex] معادله ۵
استخراج بهره آپ‌امپ غیرمعکوس‌کننده
هم اکنون جزییات بیش‌تری را در مورد آپ‌امپ غیرمعکوس‌کننده بررسی می‌کنیم. با توجه به شکل.6، ولتاژ ورودی به پایانه غیرمعکوس‌کننده اعمال می‌شود. ولتاژ خروجی را از تقسیم ولتاژی شامل RG و RF بدست می‌آوریم. ولتاژ در پایانه غیرمعکوس‌کننده ( VA)، که ولتاژ در محل اتصال دو مقاومت است، برابر است با:
[katex]V_{A}= \frac{ R_{G} }{ R_{G}+ R_{F} } V_{OUT} [/katex] معادله ۶
عمل فیدبک منفی آپ‌امپ ولتاژ تفاضلی را صفر خواهد کرد، بنابراین،
[katex] V_{A}= V_{IN} [/katex] معادله ۷
با اعمال یک عمل ریاضی ساده بدست می‌آوریم که:
[katex] \frac{ V_{OUT} }{V_{IN} } =G= \frac{R_{F}+ R_{G} }{ R_{G} }=1+ \frac{ R_{F} }{ R_{G} } [/katex] معادله ۸
که همانند معادله ۲ است.
در تمام مباحث بالا، به مولفه‌های تنظیم بهره در نقش مقاومت‌ها اشاره کردیم. در حقیقت، آنها نه فقط مقاومت‌ها، بلکه امپدانس‌ها هستند. این موضوع امکان ساخت تقویت‌کننده‌های وابسته به فرکانس را فراهم می‌کند که در آموزش های بعدی بطور مفصل بیان می شود.
