برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

تقویت کننده های عملیاتی به اختصار آپ امپ نامیده می شو ند.و به صورت مدار مجتمع در دسترس می باشند.این تقویت کننده ها از پایداری بالایی برخوردارند.، و با اتصال ترکیب مناسبی از عناصر خارجی مثل مقاومت،خازن،دیود و غیره به آنها،می توان انواع عملیات خطی و غیر خطی را انجام داد.


از ویژگیهای اختصاصی تقویت کننده های عملیا تی ورودی تفاضلی و بهره بسیار زیاد است.

 

این المان الکترونیکی اختلاف میان ولتاژهای ورودی در پای های مثبت و منفی را در خروجی با تقویت بسیار با لایی آشکار می سازد.حتی اگر این اختلاف ولتاژ کوچک نیز باشد.،آنرا به سطح قابل قبولی از ولتاژ‌ در خروجی تبدیل می کند.به شکل مداری این المان در زیر توجه کنید.



این المان همواره دارای دو پایه مثبت و منفی در ورودی،این دو پایه ورودی مستلزم یک پایه در خروجی هستند.
پایه ورودی مثبت را در اصطلاح لاتین noninverting و پایه منفی را inverting می گویند.





نحوه عملکرد op_amp


این المان بسته به وضعیت پایه های ورودی و خروجی دارای شرایط و عملکرد متفاوتی خواهد شد که در زیر به توضیح راجب این وضعیت ها می پردازیم.


اگر inverting > noninverting باشد.خروجی به سمت منفی VSS اشباع می شود.منظور از منفی VSS مقدار منفی ولتاژ تغذیه آیسی است. مثلا اگر ولتاژ ورودی 5 ولت باشد و ورودی پایه منفی دارای ولتاژی بزرگتر از ورودی پایه مثبت باشد.خروجی به سمت منفی 5 ولت به اشباع می رود.


اگر inverting < noninverting باشد.خروجی به سمت مثبت VSS اشباع می شود.مثلا اگر تغذیه آیسی 5 ولت باشد.و ورودی پایه مثبت دارای ولتاژی بزرگتر از پایه منفی باشد.خروجی به سمت مثبت 5 ولت به اشباع می رود.به شکل توجه کنید این شکل گویای همه مطالب است.همانطور که مشاهده می کنید.،هر جا که اختلاف ولتاژ ورودی مثبت باشد.خروجی به اشباع مثبت VSS می رود.و همچنین هر جا که اختلاف ولتاژ ورودی منف با شد خروجی به منفی VSS می رود.
منظور از اختلاف ولتاژ ،اختلاف بین ورودی مثبت از منفی است.

 

 


بدون قرار دادن فیدبک از خروجی به ورودی، ماکزیمم اشباع در خروجی با کمترین اختلاف ولتاژ‌ در پایه های مثبت و منفی ورودی بوجود می آید.در این حالت مدار شما بسیار نویز پذیر است.

در حالت ایده آل منظور حالت غیر عملی است.،در این حالت op-amp ها دارای مقاومت ورودی بی نهایت تقویت سیگنال ورودی در خروجی به صورت بی نهایت و مقاومت خروجی صفر هستند.

در حالت واقعی گین یا تقویت بین ولتاژ های مثبت و منفی ورودی محدود می شود.

بین پایه های ورودی و خروجی آپ امپ جریانی وجود ندارد.و این تنها ولتاژ ورودی است که خروجی را کنترل می کند.




استفاده از فیدبک در آپ امپ


با استفاده از فیدبک می توانید میزان تقویت ولتاژ های ورودی در خروجی را تعیین کنید.فیدبک می تواند.،از خروجی به هر یک از پایه های مثبت و منفی صورت گیرد.در آپ امپ اغلب فیدبک از خروجی به پایه منفی صورت می گیرد این نوع فیدبک را فیدبک منفی یا negative feedback می نامند.


با استفاده از فرمول زیر می توانید. میزان تقویت یا گین(gain) را در این نوع از فیدبک به راحتی محاسبه کنید.



در فرمول فوق Rf همان مقاومت فیدبک است.که در شکل زیر با نام R2 و از خروجی به پایه منفی ورودی زده شده است.منظور از Rin نیز مقاومت ورودی است.،که در شکل زیر با نام R1 می باشد.


بنابر فرمول فوق اگر Rf برابر صفر باشد دیگر تقو یتی وجود ندارد.،و GAIN برابر یک می شود.در این حالت ولتاژ خروجی برابر ولتاژ ‌ورودی است.در این وضعیت آپ امپ تنها به صورت یک بافر مجزا کننده یا ISOLATE کننده جریان ورودی از خروجی عمل می کند.شکل زیر نشان می دهد چگونه خروجی بدون استفاده از مقاومت به پایه منفی ورودی فیدبک زده شده است.

 

 

 



آپ امپ در حالت مقایسه گری یا Comparator

در این حالت کوچکترین اختلاف بین ولتاژ های ورودی تقویت شده و در خروجی نمایان می شود.

در این وضعیت خروجی زمانی high یا سوییچ می شود.که مقدار ولتاژ‌ در پایه inverting یا منفی به سطح ولتاژ‌ در پایه noninverting یا مثبت برسد.این ولتاژ در شکل زیر برابر vref است.

از این نوع مدار جهت مقایسه ولتاژ های ورودی به خصوص در سنسورها استفاده می شود.
در این مدار به جای مقاومت R2 می توانید از پتانسیومتر جهت تعیین ولتاژ‌ Vref و تنظیم آن به صورت دلخواه استفاده کنید.












تقویت کننده مستقیم (noninverting amplifier)


در این حالت ورودی منفی یا inverting توسط مقاومت R1 زمین می شو د.و فیدک نیز از خروجی توسط مقاومت R2 به ورودی منفی فیدبک داده می شود.در این حالت خروجی کاملا هم فاز با ورودی خواهد بود.




تغذیه Op-Amp

در بعضی موارد Op-Amp ها نیاز به دو منبع تغذیه مثبت و منفی دارند.

اگر ما مایل باشیم که تنها از خروجی مثبت آپ امپ استفاده کنیم.در واقع منظور ولتاژ های مثبت در خروجی است.در این

حالت می بایست منفی Vss را به زمین متصل کنیم.ولتاژ‌ مثبت را تنها به پایه تغذیه مثبت وصل کنیم.

در این حالت شما بایستی از دو باطری یا از یک منبع تغذیه دوتایی مثبت و منفی استفاده کنید.

 

نکاتی درباره  Op-Amp

هیچگاه تغذیه مثبت و منفی آپ و امپ را به صورت معکوس وصل نکنید.،با این کار Op-Amp خواهد سوخت.
تغذیه ورودی های مثبت و منفی می بایست.از مقادیر ورودی در پایه های inverting و noninverting بیشتر باشد.سیگنال های ورودی و خروجی را توسط خازنهای 1.0ufتا 0.1uf زمین کنید تا از تاثیر نویز در مدار خود جلوگیری کنید.


در حالت ایده آل آپ امپ ها دارای مقاومت ورودی بالا و در نتیجه جریان ورودی در حد صفر و مقاومت خروجی صفر می باشند.همچنین در این حالت ولتاژ‌ در ورودی های مثبت و منفی با یکدیگر مساوی هستند.

 

 
تقویت كننده های عملیاتی، تقویت كننده های كوپل مستقیم بوده، كه دارای گین (Gian) خیلی زیادی می باشند. كه مقدار این گین را با كمك مقاومت فیدبك ( مقاومتی كه بخشی از ولتاژ و یا جریان خروجی را به ورودی منتقل می كند) می توان كنترل نمود. این تقویت كننده ها اكثراً در مدارات خطی بكار می روند و اغلب در مدارات غیرخطی نیز از آنها استفاده می شود.

یك تقویت كننده عملیاتی ایده آل بایستی شرایط زیر را دارا باشد.
1) مقاومت ورودی آن بی نهایت باشد (Zi=Ri= ∞).
2) مقاومت خروجی آن صفر باشد (Zo=Ro= 0).
3) گین ولتاژ حلقه باز آن بی نهایت باشد (Av= -∞).
4) عرض باند آن بی نهایت باشد (BW= ∞).
5) هنگامی كه اختلاف ولتاژ در ورودی صفر است، ولتاژ خروجی نیز صفر باشد.
6) منحنی مشخصه آن با درجه حرارت تغییر نكند.

در شكل زیر نحوه قرار گیری بعضی از پارامترهای فوق در مدار معادل یك تقویت كننده عملیاتی را می بینید.

 

اما تحت تاثیر عوامل محیطی و طراحی و قطعات هیچ یك از پارامترهای فوق به شكل كامل قابل دسترسی نیست. و این تفاوت بین تقویت كننده های عملیاتی را باعث می شود.
تقویت كننده های عملیاتی اكثراً بصورت مدار مجتمع ساخته می شوند.


اتصالات تغذیه تقویت كننده های عملیاتی

برای استفاده از رنج كامل تقویت كننده های عملیاتی، بایستی این تقویت كننده ها با دو منبع تغذیه بایاس شوند، كه این عمل معمولاً با استفاده از دو منبع تغذیه مجزا صورت می گیرد. ولتاژ منبع اول نسبت به زمین (GND) برابر +VBB بوده در حالیكه ولتاژ منبع دوم نسبت به زمین برابر –VBB می باشد كه غالباً مقدار این ولتاژها +15 ولت و -15 ولت انتخاب می شود.


این عمل برای ایجاد بایاس كامل و بودن نقص می باشد. چرا كه مدارات داخلی آی سی به گونه ای طراحی شده اند كه جهت بدست آوردن بهترین دقت و ایجاد تقارن بین تقویت كنندگی مثبت و منفی نیاز به هر دو سطح منفی و مثبت ولتاژ می باشند.



معمولاً تقویت كننده های عملیاتی جهت تغذیه دو پایه دارند، چون زمین به تقویت كننده عملیاتی وصل نمی شود و فقط ولتاژهای +VBB و –VBB به تقویت كننده عملیاتی متصل می شود. ولی با وجود این تمام اتصالاتی كه بایستی زمین (GND) شوند، به نقطه بین دو منبع تغذیه زمین وصل می گردند.
البته در تمامی مداراتی كه طراحی می شوند امكان دریافت 2 سطح ولتاژ از منبع تغذیه امكان پذیر نیست. به همین دلیل طراحی گونه ای از ای سی ها به نحوی است كه امكان پاسخ گویی با یك سطح ولتاژی را دارند. كه در این وضعیت تنها یك سطح از ولتاژ ورودی (تنها مثبت و یا منفی) مورد پردازش قرار می گیرد.

البته باز هم با بكارگیری شیوه هایی ولتاژ 0 مجازی ایجاد می كنند. به این ترتیب كه ولتاژ مثبت و منفی تغذیه را به پایه های تغذیه آی سی متصل می كنند و توسط یك مدار جانبی و لتاژی برابر نصف ولتاژ تغذیه با امپدانس خروجی پایین ایجاد كرده و به عنوان ولتاژ مجازی صفر ولت بكار می برند.
همچنین هر تقویت كننده عملیاتی دو ورودی دارد؛ یكی ورودی مثبت كه با V+ و دیگری ورودی منفی كه با V- نشان داده می شود.

یك تقویت كننده از قطعات ساده مقاومت خازن دیود ترانزیستور یا FET ها ساخته می شود. تقریبا در بین انواع مختلف opamp ها اصولی در طراحی رعایت شده و پیكربندی نزدیكی دارند.

هر بخش از opamp را می توان به شكل بلوكهای به هم متصل نشان داد. در شكل زیر مدار داخلی یك نمونه بسیار ساده كه در ان تمامی این بخشها قابل روئیت است ، نشان داه شده است.
این مدار از 2 ترانزیستور ورودی با اتصال تفاضلی تشكیل می شود كه جریان تغذیه آن توسط شبكه ترانزیستور و دیود زنر و مقاومت در پایین شبكه تفاضلی ، بدست می آید. یك تقویت كننده امیتر مشترك نقش شبكه تقویت كنندگی و افزایش سطح ولتاژ را بازی می كند. توسط ترانزیستور PNP این سیگنال ضمن تطبیق امپدانس و بافر كردن وارد ترانزیستور بایاس شبكه پوش پول طبق آخر ، جهت رسیدن به قدرت مناسب و كاهش امپدانس خروجی می شود.




شكل تقویت كننده های عملیاتی و قراردادها

تقویت كننده های عملیاتی به دو صورت یكی با ولتاژ تغذیه و دیگری بدون ولتاژ تغذیه نشان داده می شوند. در شكل (ب) اتصالات منابع تغذیه كه بالایی ولتاژ تغذیه مثبت (+VBB) و پایینی ولتاژ تغذیه منفی(-VBB) است نشان داده شده و در شكل (الف) اتصالات منابع تغذیه حذف شده است. كه هر دو سمبل، نشان دهنده شكل تقویت كننده عملیاتی می باشد. در این سمبل ها یكی از ورودیها با علامت (+) و دیگری با علامت (-) مشخص شده است، كه ورودی با علامت (+) را ورودی مثبت و ورودی با علامت (-) را ورودی منفی تقویت كننده عملیاتی گویند.



ولتاژ تفاضلی تقویت كننده های عملیاتی

ولتاژ تفاضلی تقویت كننده های عملیاتی بصورت زیر تعریف می شود.
Vd= V+ - V-
اختلاف ولتاژ بین ورودی مثبت و ورودی منفی تقویت كننده عملیاتی را ولتاژ تفاضلی گویند. تقویت كننده های عملیاتی اكثراً با گین تفاضلی (حلقه باز) مشخص می شوند، كه معمولاً گین این تقویت كننده ها با ورودیهای DC و در فركانس های خیلی كم، بیش از 100000 می باشد و مقدار این گین را با Ad نشان می دهند.
ولتاژ خروجی تقویت كننده های عملیاتی در حالت ایده آل بصورت زیر می باشد.

Vo= Ad (V+ - V-) = Ad . Vd

بنابراین پاسخ خروجی تقویت كننده عملیاتی به اختلاف ولتاژ بین ورودیها بستگی دارد چرا كه اساس تقویت كننده های عملیاتی، تقویت كننده های تفاضلی می باشند. در هنگام استفاده از تقویت كننده های عملیاتی، بایستی به پایه های ورودی مثبت و منفی آن دقت كافی داشت تا اشتباه وصل نشوند. ولتاژ اعمالی به پایه های ورودی مثبت و منفی تقویت كننده عملیاتی می تواند ولتاژی با دامنه مثبت یا منفی باشد. اگر ولتاژ به ورودی مثبت اعمال شود تقویت كننده عملیاتی در حالت ورودی مستقیم بوده و اگر ولتاژ به ورودی منفی اعمال شود، تقویت كننده عملیاتی در حالت ورودی معكوس خواهد بود.

اشباع
اگر ولتاژ خروجی تقویت كننده تحت تاثیر ورودیها در مقدار حداكثر و یا حداقل ولتاژ تغذیه آن برسد اشباع گویند.
ولتاژ اشباع مثبت: ماكزیمم ولتاژ مثبتی كه خروجی تقویت كننده عملیاتی می تواند داشته باشد، كه در حالت ایده آل برابر ولتاژ تغذیه مثبت (+VBB) است، به ولتاژ اشباع مثبت تقویت كننده عملیاتی معروف است، كه با +Vsat نشان می دهیم. در عمل جهت احتیاط ولتاژی حدود یك تا دو ولت كمتر از مقدار تغذیه را در نظر می گیرند.

ولتاژ اشباع منفی: ماكزیمم ولتاژ منفی از نظر قدر مطلق كه خروجی تقویت كننده عملیاتی می تواند داشته باشد، كه در حالت ایده آل برابر ولتاژ تغذیه منفی(-VBB) است به ولتاژ اشباع منفی تقویت كننده عملیاتی معروف است كه با –Vast نشان می دهیم. . در عمل جهت احتیاط ولتاژی حدود یك تا دو ولت بیشتر از مقدار تغذیه را در نظر می گیرند.
چون در عمل تقویت كننده های عملیاتی ایده آل نیستند لذا ولتاژ اشباع مثبت همیشه كمتر از ولتاژ تغذیه مثبت بوده و ولتاژ اشباع منفی از نظر قدر مطلق كمتر از ولتاژ تغذیه منفی می باشد.

|-Vsat|<|-VBB| +Vsat< +VBB



كه بطور نمونه مقادیر ولتاژهای اشباع مثبت و منفی با ولتاژ تغذیه ±15 ولت، برابر ±13 ولت می باشد. كه این مقدار در تقویت كننده های عملیاتی متفاوت می باشد.
بنابراین در عمل بعلت كمتر بودن ولتاژ اشباع از ولتاژ تغذیه، ناحیه عملكرد فعال تقویت كننده های عملیاتی بین ولتاژهای –Vsat و+Vsat محدود می شود.


http://i4e.blogfa.com/

عملکردهای پایه یک آپ امپ:

1- اگر ورودی منفی بزرگتر از ورودی مثبت باشد خروجی به سمت -Vss می رود.

2- - اگر ورودی مثبت بزرگتر از ورودی منفی باشد خروجی به سمت +Vss می رود.

3- بدون فیدبک بیشترین اشباع با تفاوت بین ورودی ها اتفاق می افتد.

4- آپ امپ ایده آل همواره مقاومت بی نهایت در ورودی دارد و بی نهایت بهره می دهد و مقاومت خروجی آن صفر است

5- در واقع بهره محدود است به ولتاژ بین منبع مثبت و منفی مدار ما(+Vss/-Vss)

6- برای مقاصد عملی هیچ جریانی از ورودی به خروجی در جریان نیست و ولتاژ ورودی فقط به عنوان یک منبع برای کنترل خروجی مطرح است.

 

بلاک دیاگرام یک OP AMP

 

نسبت یک ورودی به خروجی در یک OP AMP

 

از یک OP AMP به عنوان یک تقویت کننده صوتی نیز می توان استفاده کرد.

 

نمای داخلی یک OP AMP مدل 741

http://eleele.blogfa.com/post-733.aspx

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :